季冻区高边坡支挡结构受力特性多场耦合模拟

作     者：李小凡 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：梁春雨

授予年度：2024年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：高边坡支挡结构 动态监测 多场耦合 数值模拟 受力特性 

摘      要：在我国,大约70%的地域存在不同深度的季节性冻土和多年冻土。在季节性冻土和多年冻土地区,高边坡支挡结构受到冻胀侵害一直以来都是道路工程界的一个典型问题,由于支挡结构背后土体组成复杂,在温度、水分等多场耦合作用下,其受力特性的具体分布情况仍没有较为普遍的结论。支挡结构背后土体所在地区土质不同、温度气候多变,降水渗流等因素影响着支挡结构的受力情况,而支挡结构一旦发生冻胀病害失稳,不仅会影响到所维护边坡的稳定性,而且还可能会影响道路行车安全,加大对工程的投资,一直以来都倍受关注。因此,如何有效地模拟分析季冻区高边坡支挡结构的受力特性,从而进行有针对性的防治和治理,以此来保证工程建设的安全进行,是目前急需解决的问题。 本文以吉林省季冻区延长高速大蒲柴河至烟筒山高边坡为研究对象,主要研究内容及成果如下: 1、边坡位于吉林省准地台与优地槽相接的敦密地堑东缘,桦甸断陷盆地南缘,地质构造背景较为复杂。构成路堑边坡的主要地层为二叠系火山碎屑岩,局部为第三系砂砾岩。边坡土体分布有大面积白垩系小南沟组和古近系桦甸组的泥岩、粉砂岩,天然单轴抗压强度多小于1MPa,岩石由细颗粒组成,遇水时易泥化,空气中脱水极易风化,呈碎片、土状,具有膨胀性岩土的野外初判特征。通过滑坡岩土体的勘察与钻探取样,本段边坡位于一条北西向压性断层破碎带内,坡体由凝灰岩受强烈构造作用形成的碎裂岩组成,呈碎裂结构,从坡面裂缝、探坑中可见岩体内遍布低角度、多层次的泥化夹层,结合极差,水敏性较高。此边坡高31.91m为高边坡。边坡共分为四级,高度分别为10m、8m、8m、5.91m。由于高边坡所处的地质条件复杂,边坡为高边坡,水稳条件差,有很大的失稳风险,因此需要进行高边坡的稳定性分析。如果边坡失稳,则应该确定合理的支挡方式来保障边坡稳定。本文采用了极限平衡法和有限元法来计算边坡稳定安全系数。通过两种方法的模拟与规范对比稳定安全系数来判断边坡的稳定情况。 2、在高边坡重力式挡土墙后埋设连续动态监测系统实时监测挡土墙后土体的温湿度情况和受力状态。由于桦甸市外界气温在一般11月才开始下降到0℃以下,故选取11月、12月、1月这三个月的每日的日平均最低气温和日平均湿度数据作为有限元数值模拟的温度参数和水分参数。再综合考虑热对流交换、边坡有效辐射、降水与表面蒸发等影响温度场和渗流场的自然环境条件,按照顺序耦合的方式,先模拟温度场,再将其结果作为预定义场导入水分场和应力场的模拟;通过编写HETVAL子程序,将水的相变作用影响应用于温度场的数值模拟。经过水热力耦合模拟后可以得到季冻区挡土墙后土体冻胀过程中温度场、水分场、应力场的分布情况随不同时间和沿挡土墙不同深度的变化规律。最后将模拟得到的应力场与动态监测系统实测的不同深度墙后土体应力进行对比,说明了数值模拟的可靠性和准确性。 3、对挡土墙的应力分布图进行研究分析,并在模拟未冻胀挡土墙的应力场后,分析挡土墙后土体冻胀力的具体深度范围和原因,为防治挡土墙冻胀病害提供了受力依据。得到结论是挡土墙冻胀力主要集中体现在墙高3m范围内,以2m处最为突出,即墙高1/5处,冻胀时间越久,冻胀应力越大。在8m后墙底弯矩集中,挡土墙易被破坏和滑移倾覆。因此季节性冻土区挡土墙在实际工程中需对桩墙顶部及接触位置进行特殊处理。并且应当加大挡土墙厚度或者加深挡土墙埋置深度防治挡土墙破环和倾覆。