加筋高填方边坡的稳定性影响因素分析 ——以巫山神女峰机场2号沟填方边坡为例

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在西南地区,山区机场建设往往存在地形条件复杂带来的建设问题。为了解决这类问题,西南地区山区机场常使用高填方的方式来建设机场地基。而加筋土边坡作为高填方工程的重要形式,其稳定性对整个工程的质量与安全起到了至关重要的作用。国内外许多学者对加筋高填方边坡的稳定性做了一系列研究,但为了简化模型,研究对象往往比较特殊。为了进一步得到加筋高填方边坡的稳定性影响因素以及影响规律,本文以重庆市巫山神女峰机场2号沟高填方边坡为基础研究对象,以离心模型试验与数值模拟为手段,探究了在同等加筋形式的情况下,不同填料,不同坡度以及降雨条件对加筋土边坡的影响。主要研究成果如下:(1)对不同级配下的填料性质进行试验分析,确定离心模型填料配比及其力学参数。通过现场原位试验与室内试验,得出填料的不均匀系数、曲率系数、天然重度、饱和重度、内聚力、内摩擦角等性质。对填料性质进行评价,并为之后的离心模拟与数值模拟提供参数依据。(2)对土工格栅进行拉伸试验与拉拔试验研究,确定离心模型用格栅材料及其力学参数。通过试验测试得出工程现场所使用的3种型号的土工格栅的抗拉强度以及不同格栅在不同填料含水率与填料之间的界面摩擦特性。从微观角度得到不同填料含水率对不同格栅的筋土界面特性的影响。(3)复杂条件加筋高填方边坡离心模型设计与制作。在130的缩尺比下对工程原型进行简化与缩尺,通过缩尺级配得到模型填料,通过缩尺比计算得到合适的模型格栅材料,用标准砖与水泥砂浆砌筑基岩,制作离心试验模型。并将工程原型扩展出3种坡度,2种级配填料,两种工况(天然工况和暴雨工况)3种交叉变量下共8个离心模型。(4)天然和多种雨强工况下多种填料和多种坡角加筋土高填方边坡离心模型试验,分析研究加筋土高填方边坡的变形和稳定性特性。通过传感器测试各模型内部土压力、孔隙水压力、格栅应变与坡面位移的分布状况与变化规律。并通过对实验现象的观测得到各变量对加筋边坡变形与稳定性受各变量影响的宏观规律。通过离心模型试验对比分析发现:(1)加筋边坡的变形存在“坡肩沉降-坡顶拉裂-坡面中下部鼓出”的变形趋势。(2)通过对天然工况下格栅应变的监测发现,在天然工况下同种填料下随着坡度的增加,坡体内部的潜在破裂面由“圆弧形”转变为“0.3H折线型”。(3)在其他条件相同的情况下,暴雨工况对填料含细粒较多的加筋土边坡稳定性影响很大,加筋填方边坡填料不宜含有过多的细颗粒土。(5)结合离心模型试验结果,利用PLAXIS数值模拟软件分别对天然和多种雨强工况下,更多坡度及更多填料组合进行数值模拟,发现(1)加筋土边坡内部的潜在破裂面起源自坡脚附近筋材之间土体内部;(2)与离心试验结果吻合,在天然工况下同种填料下随着坡度的增加,坡体内部的潜在破裂面由“圆弧形”转变为“0.3H折线型”;(3)坡度的增加与填料细颗粒的增加都会导致格栅对轴向应力的消减作用(即网兜效应)(4)与离心模型对应的天然工况下不同坡度与不同级配填料边坡进行模拟,通过对数值模型内部的应力与变形分析,发现加筋土边坡内部的潜在破裂面起源自坡脚附近筋材之间土体内部,并且对离心模型实验结果进行了对比验证。(5)通过对8种坡度,9种级配填料进行了72个数值模拟,得出在填料P5含量(大于5mm粒径颗粒含量)为55%时,加筋边坡的平均稳定性系数最小,且该级配下边坡稳定性对坡度变化更加敏感,因此P5为55%左右的填料最不适用于加筋填方边坡。(6)利用Geostudio数值模拟软件分别对离心模型对应的分级暴雨工况下不同坡度与不同填料边坡进行模拟。通过对数值模型内部的孔隙水压力、渗流矢量与稳定性分析发现:(1)在降雨作用下,加筋边坡的潜在破裂面有向坡内移动的趋势;(2)坡度对坡体内渗流矢量与渗流中心位置影响较大,而填料对坡体内部的孔压大小影响较大;(3)坡度越大,填料含粘粒较多的加筋边坡其稳定性受降雨影响较大。
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