降雨条件下高填方加筋边坡的失稳模拟分析

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本文基于成都理工大学地质环境与地质灾害国家重点实验室TLJ-500型土工离心机对西南地区某机场加筋高填方边坡进行模拟研究,通过Geostudio软件中seep与slope模块对加筋边坡进行数值模拟分析,进一步分析对比,将离心模型试验和数值模拟的研究成果相结合,综合分析加筋高边坡模型失稳破坏过程、失稳破坏机理以及影响加筋高边坡稳定性的因素。本文研究具有以下两个创新点:一是将加筋边坡在多级降雨条件下的宏观变形和监测数据相结合,分析坡体变形、土压力和孔隙水压力对各级降雨的响应情况;二是通过离心模型试验和数值模拟对多个加筋边坡模型进行分析,与原型43°加筋边坡进行对比,评价各种因素对加筋边坡稳定性的影响。本文得到相关结论如下:(1)坡体的沉降与土体结构相关,加筋边坡的沉降主要源自于坡体内部结构的改变。离心加速度的逐级增加相当于现场条件下填筑高度的增加,从而使得坡体内部应力增加,土颗粒之间孔隙中的空气和水逐渐排出,土颗粒重新排列组合,继而沉降形成。在其他条件相同的情况下,由于细颗粒含量较多的坡体孔隙比要更大,最终细颗粒含量较多的坡体沉降量也相对较大。(2)加筋坡体在沉降的过程中,存在明显的薄层挤出现象。随着降雨强度的增加和降雨时间的推移,雨水不断的向坡体内部入渗,坡体整体含水量升高,坡体重度增加,坡体在发生竖直沉降的同时,由于土体颗粒之间的挤压作用,土颗粒向四周移动。由于基岩和箱壁都是刚性体,几乎不会发生变形,所以坡体内部土体在水平方向上受到后缘土体的挤出作用向坡面一侧移动,其主要表现形式为模型边坡坡面鼓起。(3)在降雨过程中,模型边坡填料的性质发生了明显的改变,增加了坡体出现整体失稳的可能性。降雨入渗是一个从上而下缓慢渗流过程,在渗流过程当中,坡体整体含水量逐渐增加,含水量变化首先使得坡体重度增加,坡体的抗剪强度降低,并且进一步的促进了孔隙水的运移速率,使得孔隙水压力值增大。孔隙水压力值和土体含水量的增大改变了填料的结构,使得边坡土体软化,降低了坡体的粘聚力,坡体的抗剪强度减小、内摩擦角明显降低,促进坡体内部发育裂隙,裂隙的数量不断增加,生成的裂隙更利于降雨的入渗和冲刷,带走土体中的小颗粒,使得裂隙不断的向坡面和坡顶扩展,最终形成贯通面。在上覆土体的自重应力作用下,坡体下部土体发生蠕滑变形,增加坡体出现整体失稳的可能性。(4)加筋坡体在降雨条件下的失稳破坏要经历五个阶段:沉降密实阶段、薄层挤出阶段、裂隙发育阶段、贯通面形成阶段、坡体失稳破坏阶段。其失稳破坏具体宏观现象可总结为:坡肩、坡顶沉降变形——错台形成、坡面鼓出——裂隙发育——裂隙扩展——细颗粒随渗流作用析出——形成贯通面——坡体失稳破坏。(5)降雨条件下加筋边坡的失稳破坏与坡体坡度和坡体中细颗粒含量密切相关,随着坡体坡度的增加,坡体稳定性逐渐降低,坡度越高的坡体越易发生失稳破坏,即加筋土边坡的稳定性与坡度负相关,且随着加筋边坡坡度的增加,坡体的潜在滑面向坡体内部移动,滑面剪出位置由坡面中下部向坡脚转移;当加筋坡体填料中细颗粒的含量增多时,坡体受降雨影响较大,稳定性较差,更易在降雨作用下,发生失稳破坏,且随着坡体中细颗粒含量的增加,坡体滑面的形态由直线型向曲率较小的圆弧形转化。
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