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融化期季节冻土边坡渐进破坏概率分析

融化期季节冻土边坡渐进破坏概率分析

作者：刘杰西南交通大学

学位级别：硕士

随着国家“交通强国”战略的提出,季节冻土区已经开展了多项交通基础设施。由于冻融效应,该地区天然边坡、公路铁路边坡在次年消融时常会引发滑塌灾害,并带来巨大经济损失。为防治季节冻土边坡冻融滑塌灾害,本文拟针对融化期季节性冻土... 详细信息

随着国家“交通强国”战略的提出,季节冻土区已经开展了多项交通基础设施。由于冻融效应,该地区天然边坡、公路铁路边坡在次年消融时常会引发滑塌灾害,并带来巨大经济损失。为防治季节冻土边坡冻融滑塌灾害,本文拟针对融化期季节性冻土边坡,以某寒区的季节冻土区广泛分布的粉质黏土边坡为研究对象,采用理论分析和数值模拟的方法,为季节性冻融区边坡的稳定性研究与灾害防治提供可靠的理论依据与分析方法。本文主要研究内容及成果如下:(1)根据非饱和土的抗剪强度理论,考虑了抗剪强度参数中黏聚力c值与内摩擦角φ值的不确定性,并给出了黏聚力c值与内摩擦角φ值的均值、标准差及概率分布。还考虑了基质吸力与基质吸力内摩擦角在非饱和土抗剪强度公式中的取值方法。(2)构建了季节冻土边坡稳定性计算模型在水热耦合作用的基础上,得出边坡稳定性系数受初始含水率、边坡坡比以及边坡高度影响较大。综合考虑到场地条件、经济效益等因素,推荐工程设计中边坡坡比取值为1:1.25-1:1.5,边坡高度取值为10m-15m。(3)渐进破坏传递的可能性随着第一土条发生破坏后逐渐增大,边坡的稳定程度也进一步降低。结果表明,该边坡坡脚首先发生破坏的假定是合理的,其破坏的传递概率也反映了边坡土体破坏的发展过程。(4)根据边坡可靠性理论的基本原理,通过计算所得到的稳定性系数、滑动面以及滑动面的水分变化过程的计算结果,基于传递系数法,将其导入MATLAB所编制的相应程序,最后考虑初始含水率、边坡坡比以及边坡高度对季节冻土边坡的边坡渐进破坏概率的影响。边坡的初始含水率、边坡坡比以及边坡高度不仅对边坡的稳定性分析有影响,同时还会影响边坡的整体渐进破坏概率。边坡的初始含水率越高、边坡的坡比越大、边坡的高度越高,边坡的稳定性就越差,则边坡的整体破坏概率也越高。因此在评价边坡的稳定性时,采用边坡稳定性系数分析时应结合边坡破坏概率一同分析。综合上述分析可以看出,边坡的稳定性系数大于1的情况下,若考虑边坡土性参数抗剪强度c、φ值的随机不确定性,则边坡未必是绝对稳定的。

关键词：季节冻土边坡非饱和土水热耦合强度折减法渐进破坏概率

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融化期川西地区季节冻土边坡稳定性分析

中国公路学报 2023年第6期36卷 36-48页

作者：崔凯吴博涵李琼林刘杰苏磊西南交通大学土木工程学院四川成都610031

为解决融化期季冻区边坡失稳问题,针对川西高原地区混合土边坡,综合考虑粗颗粒含量及含水率影响,采用大型直剪与常规直剪相结合的试验方案,获取混合土抗剪强度参数,基于冻土水热耦合理论,通过COMSOL有限元软件对边坡融雪入渗过程进行数... 详细信息

为解决融化期季冻区边坡失稳问题,针对川西高原地区混合土边坡,综合考虑粗颗粒含量及含水率影响,采用大型直剪与常规直剪相结合的试验方案,获取混合土抗剪强度参数,基于冻土水热耦合理论,通过COMSOL有限元软件对边坡融雪入渗过程进行数值模拟,分析边坡水热场时空变化规律,同时考虑冻融过程中土体强度参数动态改变建立季冻区混合土边坡稳定性计算分析模型,分析融化期混合土边坡稳定系数、滑动面发展规律,定量分析总结融化期季冻区边坡失稳机理。结果表明:相同干密度条件下,混合土饱和渗透系数与粗颗粒含量成正比,抗剪强度与粗颗粒含量成正比而与含水率成反比;融化期边坡融雪入渗作用加强,浅层土体处于富水状态,形成最大厚度0.80 m的暂态饱和区;川西季冻区混合土边坡潜在滑动面与冻融交界面位置基本一致,滑动面形式主要是折线型,为浅层滑动;融雪入渗与冻土消融作用是季冻区边坡融化期失稳破坏的主要诱因,融化期间边坡稳定性系数减小速率随融雪入渗过程逐渐加快,融化深度最大时,边坡稳定性系数最小;川西地区季节冻土边坡稳定性主要影响因素为粗颗粒含量与初始含水率,粗颗粒含量越高,初始含水率越低,融化期边坡稳定性越好。

关键词：道路工程混合土水热耦合模型强度折减法季节冻土边坡

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融化期川西地区季节冻土边坡稳定性分析

融化期川西地区季节冻土边坡稳定性分析

作者：苏磊西南交通大学

学位级别：硕士

近年来,随着国家交通强国战略的提出,川西季节冻土区兴建了大量的交通基础设施,区域内的天然斜坡、公路铁路边坡常因冻融作用而在次年融化期间发生滑塌灾害,给当地经济造成巨大损失,为有效解决季节冻土边坡冻融滑塌灾害,本文以川西季节... 详细信息

近年来,随着国家交通强国战略的提出,川西季节冻土区兴建了大量的交通基础设施,区域内的天然斜坡、公路铁路边坡常因冻融作用而在次年融化期间发生滑塌灾害,给当地经济造成巨大损失,为有效解决季节冻土边坡冻融滑塌灾害,本文以川西季节冻土区广泛分布的混合土边坡为研究对象,通过试验量测、理论分析与数值模拟相结合的方式,研究融化期季节冻土边坡的稳定性及失稳机理,为实际工程提供一定的参考依据。本文主要研究内容及成果如下:(1)通过对川西季节冻土区非饱和混合土工程特性试验研究,确定了试样的密度、含水率、颗粒级配和渗透系数,并分析了粗颗粒含量和含水率对混合土试样抗剪强度参数的影响。随着粗颗粒含量增加,试样粘聚力逐渐减小而其内摩擦角逐渐增大;试样粘聚力和内摩擦角随着含水率增大均逐渐减小,且粘聚力折减幅度较内摩擦角大。(2)基于冻土水热耦合理论,建立季节冻土边坡水热耦合分析模型,利用COMSOL软件计算边坡在冻融过程中的温度场和水分场变化情况。通过对温度场分析得出,冻结期间最大冻结深度为1.10 m左右,融化期间边坡冻融交界面逐渐降低,至3月下旬冻结土体全部融化;通过对水分场分析得出,冻结阶段土体中的未冻水逐渐向冻结锋面迁移,使冻结区土体含水量略微增大,融化阶段边坡浅层冻土和坡面积雪逐渐融化,使冻融交界面上部土体含水量剧增,在边坡浅层形成厚度约为0.85 m的暂态饱和区。(3)建立了综合考虑水热耦合作用的季节冻土边坡稳定性计算模型,得出融化期间季节冻土边坡稳定性系数逐渐减小;通过分析边坡位移及塑性变形确定滑动面位置,并与温度场进行对比,得出融化期边坡潜在滑动面与冻融交界面位置基本一致,且潜在滑动面走向与坡面大致平行,属于平面滑动类型。(4)对边坡失稳机理和稳定性影响因素进行了分析,得出融化期冻土消融和积雪融化入渗是川西地区季节冻土边坡发生浅层滑塌的主要诱因;混合土粗颗粒含量、初始含水量及坡度对边坡稳定性有较大影响,混合土粗颗粒含量越低,初始含水量越高,坡度越大,土体冻结融化后边坡稳定性越差。

关键词：非饱和混合土季节冻土边坡水热耦合数值模拟强度折减法

季节冻土区框架锚杆支护边坡地震动力响应简化计算方法

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中国公路学报 2023年第5期36卷 75-87页

作者：董建华吴晓磊师利君连博兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室甘肃兰州730050 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心甘肃兰州730050

为了研究地震作用下季节冻土区框架锚杆支护边坡体系的地震动力响应变化规律,考虑到季节冻土区边坡土体的季节分层特征,将未冻结土层处理为黏弹性Winkler地基模型,冻结层处理为中间剪切层,框架立柱处理为Euler-Bernoulli弹性梁,用线性... 详细信息

为了研究地震作用下季节冻土区框架锚杆支护边坡体系的地震动力响应变化规律,考虑到季节冻土区边坡土体的季节分层特征,将未冻结土层处理为黏弹性Winkler地基模型,冻结层处理为中间剪切层,框架立柱处理为Euler-Bernoulli弹性梁,用线性弹簧和阻尼器来模拟锚杆锚固段与周围土体的相互作用,建立了季节冻土区框架锚杆边坡支护结构简化动力计算模型。基于D'Alembert原理并引入Dirac函数,给出了冻结期和融化期时框架-锚杆-边坡支护体系的运动方程;其次通过振型叠加法对其进一步解耦变换,并采用隐式时域逐步积分法对解耦后的体系方程组进行求解,最后将提出的计算方法应用于工程算例,且与振动台试验结果进行了对比分析。结果表明:相同地震波作用下,坡顶处加速度大于坡底,同一位置处的融化期峰值加速度比冻结期大,具有季节差异效应和高程放大效应;同时考虑冻胀和地震作用时冻结期的锚杆轴力和立柱弯矩大于地震作用时融化期的锚杆动轴力和立柱动弯矩;加速度、轴力等振动台试验结果与理论计算值在总体趋势上较为一致,即提出的计算方法能够刻画地震作用下季节冻土区框架锚杆支护结构工作状态。研究结果可为季节冻土区框架锚杆支护边坡抗震理论设计提供一种新思路。

关键词：道路工程季节冻土边坡动力计算方法 D'Alembert原理框架锚杆支护动力响应

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川西地区季节冻土渗透系数的时空变化特性

西南交通大学学报 2020年第6期55卷 1272-1279页

作者：秦晓同崔凯孟繁宇西南交通大学土木工程学院四川成都610031

冻融循环作用引起的边坡体内部水分迁移是川西地区季节冻土边坡失稳的主要原因,研究边坡土体渗透系数时间、空间变化特征是掌握水分迁移规律的重要手段.针对冻融循环作用下季节性冻土坡面渗透系数时空变化问题,选取川西新都桥地区某边... 详细信息

冻融循环作用引起的边坡体内部水分迁移是川西地区季节冻土边坡失稳的主要原因,研究边坡土体渗透系数时间、空间变化特征是掌握水分迁移规律的重要手段.针对冻融循环作用下季节性冻土坡面渗透系数时空变化问题,选取川西新都桥地区某边坡粗颗粒土为测试土样,设计冻土渗透系数试验装置,以30%乙二醇溶液为试验渗透溶液,分别制备不同初始含水率、细颗粒含量、干密度测试土柱;添加30%乙二醇放至低恒温箱中进行12 h以上冷冻处理,开展不同冻融循环次数作用下冻土渗透系数试验,并分析其渗透系数变化规律;在此基础上结合边坡冻融期含水率现场监测数据,分析渗透系数时空变化规律.试验结果表明:初始含水量及干密度不断增加时,冻土非闭合孔隙度和渗透系数均呈减小趋势;冻土渗透系数随细颗粒含量的增加而减小,当细颗粒含量大于20%时,冻土渗透系数减小的幅度较小;冻融循环次数对冻土渗透性能起到抑制作用,当循环次数超过3次时,冻融作用对渗透性能影响不大;季节性冻土边坡1 m冻结深度以内,渗透系数随深度增加减小;11月—1月冻深范围内冻土渗透系数减小,1月—3月渗透系数开始增大.

关键词：季节冻土边坡粗颗粒冻土渗透系数时空变化冻土渗透试验