寒區(qū)高等級(jí)公路路塹邊坡春季淺層滑塌機(jī)理研究.pdf

1、我國(guó)絕大多數(shù)寒冷地區(qū)屬季節(jié)性凍土區(qū)，春季路塹邊坡淺層滑塌失穩(wěn)是一種多見的工程病害，一直受到國(guó)內(nèi)外寒冷地區(qū)公路工程、巖土工程界的關(guān)注。入冬，大地封凍由表及里，土中水分向地表遷移；春季融化亦由表及里，表層融水不能滲入下部未融化的土層中，使上部土體含水量增加、強(qiáng)度減小，使原來的均質(zhì)邊坡成為非均質(zhì)的邊坡；有時(shí)凍融就導(dǎo)致淺層滑塌，顯然地下水的活動(dòng)起了關(guān)鍵作用。
　　本文緊緊抓住凍融過程中地下水分的遷移這個(gè)核心問題，以工程應(yīng)用為目的，土樣試驗(yàn)

2、和大型模型試驗(yàn)相結(jié)合，深入研究，建立凍融過程土中水分遷移模型，與數(shù)值分析結(jié)合，探討路塹邊坡凍融失穩(wěn)的機(jī)理。
　　研究先從各方面條件均能夠很好控制的土樣試驗(yàn)入手，針對(duì)路塹邊坡含水量低、地下水埋藏深的特點(diǎn)，采取封閉系統(tǒng)，底部設(shè)隔水界面，單向凍結(jié)。在土樣側(cè)面布置溫度傳感器，通過頂板的溫度控制凍結(jié)的速率，實(shí)時(shí)觀測(cè)溫度沿深度的變化，控制凍結(jié)、融化的進(jìn)程，測(cè)試不同深度土中的含水量。原狀土試驗(yàn)?zāi)M天然狀態(tài)，重塑土試驗(yàn)便于區(qū)分凍結(jié)、融化兩個(gè)過程的

3、作用，研究土中水分在凍融過程遷移的規(guī)律。
　　試驗(yàn)中同步記錄的各深度處的溫度，測(cè)定凍、融過程中含水量隨深度的變化的數(shù)據(jù)，與初始含水量比較，為進(jìn)一步建立凍融過程中水分遷移模型奠定了基礎(chǔ)。
　　試驗(yàn)中，選取相同含水量的土樣，設(shè)定了5種溫度模式，測(cè)定不同溫度梯度下土中水分的遷移量；按五種設(shè)定的含水量調(diào)制土樣，在相同溫度梯度條件下，對(duì)不同初始含水量的土樣，分別測(cè)定土中水分的遷移量。對(duì)含水量均勻的土樣，分別測(cè)試完全凍結(jié)和凍結(jié)后從頂面融

4、化到設(shè)定位置的含水量分布，研究融化到設(shè)定位置后，凍結(jié)面上水分聚集層的位置及其含水量的變化情況。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明，凍結(jié)并融化到設(shè)定位置后，土樣未融化部分出現(xiàn)橫向和豎向的裂縫、明顯的凍融分界線；控制不同頂板溫度，不同含水量的試樣中各點(diǎn)處溫度的變化趨勢(shì)基本相同；不同初始含水量，凍融后含水量的分布曲線的趨勢(shì)是相同的，上部土層的含水量增加、下部土層的含水量減少；頂板控溫相同，初始含水量大的土樣，凍結(jié)要消耗的潛熱量大，凍結(jié)速度慢，遷移的水分

5、多，水分集聚亦多；不同凍結(jié)溫度和融化溫度對(duì)試樣中水分的遷移影響非常明顯，頂板凍結(jié)溫度越高，水分積聚越明顯。重塑的粉質(zhì)粘土含水量均勻的土樣，自上而下凍結(jié)后出現(xiàn)含冰量不均勻現(xiàn)象，有的形成冰夾層；凍結(jié)后自上而下融化到設(shè)定位置后，在凍融交界面之上水分聚集，出現(xiàn)一個(gè)含水量最大的薄層。
　　針對(duì)現(xiàn)有的水分遷移機(jī)制仍然存在的疑問，凍融過程中水分遷移模型偏于復(fù)雜，有的參數(shù)值不能直接通過試驗(yàn)獲得，對(duì)土體工程特性考慮不足，一些建模尚缺乏實(shí)驗(yàn)論證，應(yīng)用

6、的結(jié)果往往不夠理想的局面，建模不追求對(duì)多孔多相介質(zhì)帶相變的固、液、汽、熱耦合的統(tǒng)一研究，暫不考慮水分遷移對(duì)溫度場(chǎng)的反饋影響，強(qiáng)調(diào)水氣擴(kuò)散在凍結(jié)過程中遷移的重要性，從工程角度出發(fā)，宏觀上把握水分遷移量與溫度梯度的關(guān)系，分別考慮凍結(jié)、融化過程中水分遷移的機(jī)理，借助Fick和Darcy定律進(jìn)一步改進(jìn)建立模型。
　　（1）假定非飽和土中水分在凍結(jié)過程中主要以水汽擴(kuò)散形式的遷移，在此過程中液態(tài)水通過轉(zhuǎn)化為水汽參加遷移，未具體考慮轉(zhuǎn)化過程。推

7、導(dǎo)、計(jì)算中，設(shè)定了凍結(jié)鋒面以下土層中水汽的濃度方程，建立了濃度-深度隨凍結(jié)鋒面發(fā)展的移動(dòng)坐標(biāo)系。為考慮溫度梯度的影響，在Fick定律公式的右邊乘上溫度梯度，得到了修正的非飽和土的Fick定律，作為凍結(jié)過程的水分遷移模型，發(fā)展了計(jì)算方法和程序。
　　本文采用一個(gè)綜合的擴(kuò)散項(xiàng)，而不是另增加一個(gè)由溫度梯度引起的擴(kuò)散項(xiàng)。從物理上看，表達(dá)了溫度梯度直接影響擴(kuò)散率，而不是在原來的水氣擴(kuò)散量的基礎(chǔ)上再增加一部分；從數(shù)學(xué)上看，少了一個(gè)參數(shù)，便于參

8、數(shù)的估計(jì)。
　?。?）假定融化過程中，融土中水分遷移主要是在重力作用下的豎向滲流。用增加溫度梯度引起的水分遷移項(xiàng)來修正非飽和土達(dá)西定律，作為融化過程中的水分遷移模型。
　　接著，以試驗(yàn)得到的凍結(jié)、融化后含水量沿試樣深度的分布曲線為目標(biāo)函數(shù)，以本文所建立的凍、融中水分遷移模型為正演模塊，借助遺傳算法反演了上述兩個(gè)模型的參數(shù)。分別把反演結(jié)果及其平均值代入模型中計(jì)算含水量沿土樣深度的分布曲線與試驗(yàn)得到的各個(gè)曲線對(duì)比，論證了模型可靠

9、性及本文思路的可行性。
　　本文將較大比例尺的室內(nèi)邊坡凍融失穩(wěn)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)為土樣試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)之間的一個(gè)既有一定體積、又可以很好控制各種邊界條件的中間環(huán)節(jié)，彌補(bǔ)土樣尺寸小受邊界影響大的缺陷。在歸納國(guó)內(nèi)外類似試驗(yàn)的方案、確定模型相似律的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)、制作了60厘米高的邊坡模型以及溫度控制條件，在表層密集布設(shè)溫度、含水量觀測(cè)傳感器，每隔5分鐘采集一組數(shù)據(jù)。試驗(yàn)采用了根據(jù)電磁脈沖反射方法研制的時(shí)域反射儀TDR，對(duì)量值隨溫度的變化做了

10、標(biāo)定。經(jīng)過35天，歷時(shí)840小時(shí)，5個(gè)凍融循環(huán)，試驗(yàn)顯示了水分遷移、凍裂、分凝冰層生成、坡面局部滑塌等現(xiàn)象。通過記錄的數(shù)據(jù)分析，說明溫度場(chǎng)控制得比較好，含水量變化比較復(fù)雜。對(duì)第一個(gè)凍融循環(huán)的仔細(xì)分析，說明了凍結(jié)中水分?jǐn)U散向上遷移，融化過程中向下滲流的規(guī)律。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果闡述了坡面滑塌的主要原因是土層含水量提高引起抗剪強(qiáng)度的降低。
　　為了研究?jī)鋈趯?duì)土的抗剪強(qiáng)度的影響，定量地揭示含水量提高所引起土層抗剪強(qiáng)度降低的程度，通過制備不同含水

11、量的土樣，經(jīng)過凍融過程，采用三軸不排水剪切試驗(yàn)，測(cè)得土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。結(jié)果表明抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確實(shí)下降很大，驗(yàn)證了本文試驗(yàn)中邊坡發(fā)生滑塌主要是由于淺層土體含水量增加很多，導(dǎo)致土的抗剪強(qiáng)度大幅下降是重要因素的結(jié)論。
　　最后，本文對(duì)試驗(yàn)的邊坡模型，進(jìn)行了凍融穩(wěn)定性數(shù)值分析。在有限元分析軟件ABAQUS的基礎(chǔ)上二次開發(fā)，建立了凍融邊坡模型的有限元模型，設(shè)置了邊界條件和單元參數(shù)。在垂直坡面3.0米的深度內(nèi)，按0.3米劃分網(wǎng)格為凍融網(wǎng)格，以下