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在路基工程中,路基边坡稳定性的分析是一个十分重要的课题。特别在冻土区,由于冻融循环,极易发生冻融滑塌。传统的边坡稳定性分析中仅仅计算其安全系数,未考虑随机因素对边坡的影响。针对这一不足,本文建立冻土三场耦合数学模型,以冻土地区路基边坡为研究对象,基于可靠度理论对其在冻融循环下的可靠性进行分析。主要研究内容如下:
首先,总结分析了温度场、渗流场、应力场三场相互影响的关系,并建立了水-热-力三场耦合数学模型。其次,根据所建立的水热力三场耦合数学模型,以青藏高原某段公路路基为例,使用comsolmultiphysics软件中的自定偏微分方程模块进行二次开发,对这一路段进行了采取时长为30年的仿真模拟。最后,根据模拟计算结果,以有限元强度折减法对路基边坡进行稳定性计算。考虑粘聚力与内摩擦角在冻融循环下的衰减特性,以安全系数为1作为阈值,采用响应面迭代求解方法进行可靠度计算。结果表明:
温度场方面,受气候变暖的影响,路基温度场最低温度及最高温度均不断升高。其中,7月份路基表面温度最高,冻融循环30年后的最高温度相比于冻融循环1年后的最高温度上升了1.56℃;1月份路基顶面温度最低,冻融循环30年后的最低温度相比于冻融循环1年后的最高温度上升了1.59℃。路基表面受地温变化影响剧烈,随着路基深度的增加影响不断减小。深度10m以下温度变化微乎其微,可以判断路基内部一定深度以下温度已基本不受气温所影响。
应力场方面,1月份,路基坡脚处应力最大。冻融循环30年后最大拉应力相比于冻融循环1年后的最大拉应力减小了0.51MPa。7月份,最大拉应力分布于路面及坡面附近,冻融循环30年后最大拉应力相比于冻融循环1年后的最大拉应力增大了1.05MPa。
变形场方面,1月份最大水平位移集中于坡面附近,最大竖直位移位于路基顶面与地面附近,由于气候变暖,由冻胀引起的水平位移和垂直位移均不断减小。7月份,水平最大位移处于天然地面靠近坡脚附近,呈先上升后减小的趋势。最大竖直位移分布于路基顶面附近,负向竖直位移不断增大。
边坡可靠度方面,随着时间的推移,可靠度呈不断下降趋势,冻融循环30年后,1月份路基边坡可靠度从冻融循环1年后的7.9285降至3.018,破坏概率从0.1018%升至4.2828%;7月份路基边坡可靠度从冻融循环1年后的的6.585降至2.858,破坏概率从0.4069%升至5.1369%。
首先,总结分析了温度场、渗流场、应力场三场相互影响的关系,并建立了水-热-力三场耦合数学模型。其次,根据所建立的水热力三场耦合数学模型,以青藏高原某段公路路基为例,使用comsolmultiphysics软件中的自定偏微分方程模块进行二次开发,对这一路段进行了采取时长为30年的仿真模拟。最后,根据模拟计算结果,以有限元强度折减法对路基边坡进行稳定性计算。考虑粘聚力与内摩擦角在冻融循环下的衰减特性,以安全系数为1作为阈值,采用响应面迭代求解方法进行可靠度计算。结果表明:
温度场方面,受气候变暖的影响,路基温度场最低温度及最高温度均不断升高。其中,7月份路基表面温度最高,冻融循环30年后的最高温度相比于冻融循环1年后的最高温度上升了1.56℃;1月份路基顶面温度最低,冻融循环30年后的最低温度相比于冻融循环1年后的最高温度上升了1.59℃。路基表面受地温变化影响剧烈,随着路基深度的增加影响不断减小。深度10m以下温度变化微乎其微,可以判断路基内部一定深度以下温度已基本不受气温所影响。
应力场方面,1月份,路基坡脚处应力最大。冻融循环30年后最大拉应力相比于冻融循环1年后的最大拉应力减小了0.51MPa。7月份,最大拉应力分布于路面及坡面附近,冻融循环30年后最大拉应力相比于冻融循环1年后的最大拉应力增大了1.05MPa。
变形场方面,1月份最大水平位移集中于坡面附近,最大竖直位移位于路基顶面与地面附近,由于气候变暖,由冻胀引起的水平位移和垂直位移均不断减小。7月份,水平最大位移处于天然地面靠近坡脚附近,呈先上升后减小的趋势。最大竖直位移分布于路基顶面附近,负向竖直位移不断增大。
边坡可靠度方面,随着时间的推移,可靠度呈不断下降趋势,冻融循环30年后,1月份路基边坡可靠度从冻融循环1年后的7.9285降至3.018,破坏概率从0.1018%升至4.2828%;7月份路基边坡可靠度从冻融循环1年后的的6.585降至2.858,破坏概率从0.4069%升至5.1369%。