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动力湿化作用下粗粒土高路堤渗流场时空演化模型试验

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中国公路学报 2020年第9期33卷 45-53页

作者：何忠明王保林黄超卞汉兵张永杰长沙理工大学道路灾变防治及交通安全教育部工程研究中心湖南长沙410114 长沙理工大学交通运输工程学院湖南长沙410114 里尔大学土木工程与岩土环境实验室诺尔里尔59650 长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410114

为了研究动力湿化作用下渗流水在粗粒土高路堤内的迁移特性,自主研发设计制作一种室内喷洒降雨装置及车辆动力荷载模拟装置,开展动力湿化作用下粗粒土高路堤渗流场时空演化模型试验,从时间和空间2个角度描述渗流水在路堤内的迁移特性,... 详细信息

为了研究动力湿化作用下渗流水在粗粒土高路堤内的迁移特性,自主研发设计制作一种室内喷洒降雨装置及车辆动力荷载模拟装置,开展动力湿化作用下粗粒土高路堤渗流场时空演化模型试验,从时间和空间2个角度描述渗流水在路堤内的迁移特性,然后根据模型试验结果,建立粗粒土渗流场时空演化机制,揭示动力湿化作用下的粗粒土高路堤边坡渐变失稳发育机理。研究结果表明:基于相似理论,开展粗粒土高路堤渗流场时空演化模型试验可以较为真实地反映粗粒土高路堤在动力湿化作用下渗流水的迁移特性;动力湿化作用下,湿润锋首先在路堤边坡表面形成,并逐渐从边坡表面向内部拓展,在坡顶处的拓展速率较小,坡脚处的拓展速率较大;受湿润锋演变规律的影响,路堤边坡监测点负孔隙水压力逐渐减小,体积含水率逐渐增大,坡前应力逐渐增加,位于坡脚浅层区域的应力增加速度较快;依据渗流水的迁移规律,将渗流影响范围内的土体自上而下分为浅层暂态饱和区、渗流水填充区及渗流水湿润区;在动力湿化作用下,粗粒土高路堤边坡将逐渐产生沿坡脚深层滑移的渐变趋势。

关键词：道路工程粗粒土高路堤模型试验动力湿化作用渗流场时空演化迁移特性

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粗粒土高路堤动力湿化模型试验及稳定性研究

粗粒土高路堤动力湿化模型试验及稳定性研究

作者：王保林长沙理工大学

学位级别：硕士

在我国南方地区,高速公路的修建难免会穿越山岭重丘区,考虑粗粒土(粒径d=0.075～60 mm颗粒含量(质量比)大于50%的土石混合料组成)具有孔隙率大、透水性强、抗压强度高、压实密度大等工程特性,多处路基将粗粒土作为填料进行了高填方施工... 详细信息

在我国南方地区,高速公路的修建难免会穿越山岭重丘区,考虑粗粒土(粒径d=0.075～60 mm颗粒含量(质量比)大于50%的土石混合料组成)具有孔隙率大、透水性强、抗压强度高、压实密度大等工程特性,多处路基将粗粒土作为填料进行了高填方施工,形成了大量粗粒土高路堤工程。然而,在长期车辆动力荷载及降雨因素的共同影响下,运营期粗粒土填料时常发生流变现象,降低了路堤设计使用年限。鉴于此,本文以导师何忠明教授主持的国家自然科学基金面上项目“动力湿化作用下粗粒土高路堤服役性能演变与状态控制技术研究(51678073)”为依托,开展了粗粒土高路堤动力湿化模型试验,深入分析了粗粒土高路堤在动力湿化作用下的渗流特性,并根据试验结果,采用数值软件对动力湿化作用下粗粒土高路堤的动力响应及稳定性演变规律进行了模拟分析。本文主要研究结论如下:(1)基于相似理论,构建路堤模型与原型之间的相似关系,采用自主研发设计并制作的路堤模型箱、室内降雨喷洒装置及车辆动力荷载模拟装置,开展室内粗粒土高路堤动力湿化模型试验,可以较为真实的反映粗粒土高路堤在动力湿化作用下的渗流特征。(2)动力湿化模型试验结果表明:动力湿化作用下,湿润锋首先在路堤边坡表面形成,并逐渐从边坡表面向边坡内部拓展,受车辆动力荷载的影响,湿润锋在坡顶处的拓展速率较小,坡脚处的拓展速率较大;在湿润锋演变规律的影响下,随着降雨历时的增加,路堤边坡监测点负孔隙水压力逐渐减小,体积含水率逐渐增大,路堤边坡坡前应力逐渐增加,且位于坡脚表层处的应力增加速度较快。(3)根据动力湿化模型试验的渗流结果,对粗粒土土水特征曲线进行拟合,可以将渗流数值模拟与动力湿化模型试验有机的结合起来,保证了数值模拟的渗流特性与动力湿化模型试验的一致性,为粗粒土高路堤在动力湿化作用下的稳定性计算提供了渗流场。(4)路堤时变稳定性数值结果表明:当车辆荷载移动到某点时,该点处的竖向动应力响应最明显;荷载加载初期,路基土主要以弹性应变为主,随着荷载加载次数的增加,残留的塑性应变逐渐累积,路基土逐渐产生较大的沉降位移;粗粒土高路堤塑性区首先在路堤顶部及坡脚处形成,随着渗透力的逐渐增大,塑性区逐渐向边坡内部拓展形成贯通区;受路堤湿润锋演变规律及渗透力的影响,路堤安全系数在整个研究历时内的变化规律分为3个阶段:缓慢降低、快速降低和缓慢回升阶段。

关键词：粗粒土高路堤动力湿化模型试验渗流特性稳定性

粗粒土高路堤边坡降雨冲刷特性模拟试验及数值分析

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粗粒土高路堤边坡降雨冲刷特性模拟试验及数值分析

作者：彭生辉长沙理工大学

学位级别：硕士

在我国南方地区,高速公路的修建难免会受到地形地质的影响,在穿越山岭重丘区时,考虑粗粒土具有良好的工程特性,因而许多工程将粗粒土作为路堤填料,形成了大量粗粒土高路堤工程。然而,在坡面冲刷及降雨入渗的影响下,运营期粗粒土填料在... 详细信息

在我国南方地区,高速公路的修建难免会受到地形地质的影响,在穿越山岭重丘区时,考虑粗粒土具有良好的工程特性,因而许多工程将粗粒土作为路堤填料,形成了大量粗粒土高路堤工程。然而,在坡面冲刷及降雨入渗的影响下,运营期粗粒土填料在车载动力作用时会发生失稳现象,威胁到高速公路行车安全,大大缩短了路堤设计使用年限。鉴于此,本文以导师何忠明教授主持的国家自然科学基金面上项目“动力湿化作用下粗粒土高路堤服役性能演变与状态控制技术研究（51678073）”为依托,结合室内坡面冲刷模型试验及数值模拟手段,深入研究了粗粒土高路堤在不同冲刷影响因子作用下坡面冲刷特性演变规律;基于室内试验结果,采用数值软件分析了粗粒土高路堤在降雨冲刷条件下的土体水力特性及稳定性变化规律。本文所得的主要研究结论如下:（1）降雨冲刷作用下,粗粒土高路堤边坡冲刷演变过程大致可以分为雨滴溅蚀、面状侵蚀、细沟侵蚀和切沟侵蚀四种不同阶段,其中切沟侵蚀对坡面冲刷影响最大;雨滴溅蚀分布范围广,且具有随机性,而面状侵蚀则在坡面径流后逐渐衍生;细沟侵蚀易发生在地形微起伏处,对不同冲蚀区域起到连通作用,坡面开始由面状侵蚀逐渐转为线状侵蚀,而细沟侵蚀逐渐转为切沟沟蚀后,坡面整体上从面状侵蚀转为线状侵蚀。（2）采用Geo-Studio数值模拟软件建立相应的数值模型,通过Van-Genuchten模型进行土水特征曲线拟合,分析了降雨冲刷条件下路堤边坡孔隙水压力、体积含水率变化规律;然后通过fish语言将降雨冲刷条件下粗粒土高路堤边坡渗流结果导入FLAC3D软件,进行了粗粒土高路堤边坡降雨冲刷稳定性计算。（3）分别研究了不同降雨强度、边坡坡度下填筑路堤边坡坡面冲刷特性演变规律,根据试验结果可知:填筑路堤边坡坡面累计冲刷量随降雨历时的增加而逐渐增加,不同降雨强度下,累计冲刷量增加速率为:暴雨＞中雨＞小雨;累计冲刷量随边坡坡度的增加呈现出先增加后减少的趋势,粗粒土填筑路堤坡面冲刷存在一个临界坡度,由冲刷试验拟合结果可知,该粗粒土边坡冲刷临界坡度在40°～45°之间。（4）在三种不同压实度下,路堤边坡累计冲刷量增加速率为:压实度90%＞压实度93%＞压实度96%;不同压实度下坡面冲刷量变化速率前期相差不大,随着降雨的进行,压实度大的路堤边坡累计冲刷量增加速率较小;且相较于压实度小的边坡,其冲刷速率增长期相对滞后。

关键词：粗粒土高路堤冲刷影响因子冲刷特性模型试验边坡稳定性

降雨工况下渗透力对粗粒土高路堤边坡稳定性的影响

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公路交通科技 2017年第9期34卷 14-21,29页

作者：何忠明邓喜付宏渊曾铃长沙理工大学特殊环境道路工程湖南省重点实验室湖南长沙410114 长沙理工大学交通运输工程学院湖南长沙410114 长沙理工大学土木与建筑学院湖南长沙410114

为分析降雨工况下,渗透力对粗粒土高路堤边坡塑性区分布以及安全系数变化规律的影响,依托现场工程实例,以粗粒土骨架为研究对象,采用geo-studio软件中的seep模块计算边坡降雨过程中及降雨停止后水位线、基质吸力、渗流梯度的变化规律;利... 详细信息

为分析降雨工况下,渗透力对粗粒土高路堤边坡塑性区分布以及安全系数变化规律的影响,依托现场工程实例,以粗粒土骨架为研究对象,采用geo-studio软件中的seep模块计算边坡降雨过程中及降雨停止后水位线、基质吸力、渗流梯度的变化规律;利用FLAC3D内置的fish语言将渗流计算结果导入到FLAC3D中;综合考虑水位线、基质吸力变化,分析了渗透力变化对粗粒土高路堤边坡安全系数以及塑性区分布规律的影响。数值计算结果表明:降雨影响水位线、基质吸力、渗流梯度在边坡空间上的分布;降雨过程中水位线逐渐由坡脚抬升并向粗粒土高路堤边坡内部扩展,降雨停止后坡脚处水位线下降较快且路堤中心水位线高于初始状态水位线高度;水位线抬升过程中基质吸力逐渐消散,降雨停止后基质吸力恢复较缓慢;降雨初期坡脚处x方向渗流梯度逐渐由正值转为负值且负值分布的区域逐渐扩大;随降雨历时增加边坡塑性区由坡脚不断向边坡内部逐渐延伸,降雨停止后边坡塑性区主要发生在坡脚处;降雨0~24 h内边坡安全系数呈逐渐增大的趋势,降雨24~72 h内安全系数下降较快并达到最小值,降雨停止后安全系数逐渐恢复,但安全系数恢复过程具有一定滞后性并且恢复后的数值小于初始值。

关键词：道路工程降雨入渗 FLAC3D 粗粒土高路堤渗透力

不同降雨类型对粗粒土高路堤边坡稳定性影响分析

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长沙理工大学学报（自然科学版） 2017年第4期14卷 36-43页

作者：杨煜何忠明卞汉兵曾铃长沙理工大学交通运输工程学院湖南长沙410004 法国洛林大学微观结构与材料力学实验室洛林梅斯57070 长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410004

为了深入研究不同降雨类型下粗粒土高路堤边坡的稳定性,提出了一种能同时考虑路堤边坡内部饱和度、孔隙水压力及软化效应的稳定性分析方法;拟定了小雨、中雨、大雨以及暴雨4种降雨类型,设定一级坡高8m、二级坡高12m的A类和一级坡高10m... 详细信息

为了深入研究不同降雨类型下粗粒土高路堤边坡的稳定性,提出了一种能同时考虑路堤边坡内部饱和度、孔隙水压力及软化效应的稳定性分析方法;拟定了小雨、中雨、大雨以及暴雨4种降雨类型,设定一级坡高8m、二级坡高12m的A类和一级坡高10m、二级坡高10m的B类两类典型边坡,通过分析A,B两类方案填筑的路堤边坡在不同降雨工况下安全系数和塑性区的变化规律,提出了路堤边坡最佳填筑方案,探讨了最佳方案填筑的路堤边坡稳定性。研究结果表明,相同降雨类型下,A类方案填筑的边坡稳定性比B类边坡更好,表明依托工程高路堤边坡最佳填筑方案为A类;降雨0~12h内边坡安全系数下降较快,随着降雨持时的增加,安全系数下降趋势减缓;在相同的降雨持时下,边坡安全系数随着降雨强度的增加而逐渐减小,当降雨强度超出一定范围后,其安全系数下降趋势相差不大;降雨初期,水位线上升较快,但存在一定的滞后性,随着降雨持时的增加,水位线上升速率减慢并呈规律性上升;小雨对边坡塑性区分布影响较大,但随着降雨强度的增加,降雨强度不再是影响边坡塑性区分布的主要原因。

关键词：道路工程基质吸力饱和-非饱和粗粒土高路堤边坡稳定性降雨入渗