副高論文發(fā)表季節(jié)凍土區(qū)邊坡凍融穩(wěn)定性

　　本篇副高論文發(fā)表對季節(jié)凍土區(qū)邊坡凍融穩(wěn)定性進行分析，本文的研究對有效解決寒區(qū)筑路技術(shù)的棘手難題、避免或減輕道路凍融病害無疑具有極其重要的現(xiàn)實意義?！?a href="http://ankadisticaret.com/hzqk/3240.html">土木建筑與環(huán)境工程》(原《重慶建筑大學(xué)學(xué)報》)1957年創(chuàng)刊，是重慶大學(xué)主辦的建筑工程類學(xué)術(shù)刊物(雙月刊)，主要反映土木工程、市政與環(huán)境工程、暖通工程與建筑物理、建筑材料等學(xué)科領(lǐng)域的最新理論科研、工程應(yīng)用成果，促進學(xué)術(shù)交流，培育土木建筑和環(huán)境科學(xué)人才，推動建筑學(xué)科發(fā)展繁榮。

　　隨著西部大開發(fā)和振興東北戰(zhàn)略的實施，季節(jié)凍土區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將得到很大的發(fā)展，然而，季節(jié)凍土區(qū)邊坡的凍融災(zāi)害是制約季節(jié)凍土去工程建設(shè)的主要問題之一?；谟邢迒卧ǎ⒘思竟?jié)凍土區(qū)邊坡凍融穩(wěn)定性的數(shù)值模擬途徑，以東北某一路塹邊坡為背景，對初始含水量和凍結(jié)負(fù)溫對融化過程中季節(jié)凍土區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響進行定量分析。研究表明，土的初始含水量越大、凍結(jié)溫度越低，邊坡凍融穩(wěn)定性越差。分析成果可進一步充實季節(jié)凍土區(qū)邊坡凍融穩(wěn)定性的研究內(nèi)容，對工程實踐提供一定指向作用。

　　關(guān)鍵詞：季節(jié)凍土區(qū);邊坡穩(wěn)定性;數(shù)值模擬

　　我國是世界第三凍土大國，季節(jié)凍土面積約占國土面積的535%，多年凍土面積約占國土面積的215%[1]。由于經(jīng)濟與國防建設(shè)的需要，我國在季節(jié)凍土區(qū)的開展了一大批基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，主要包括東北地區(qū)的中俄輸油管道工程、哈爾濱至大連的高速鐵路工程、301國道等。目前，我國現(xiàn)有三分之二以上干線交通位于季節(jié)凍土區(qū)。隨著西部大開發(fā)和振興東北戰(zhàn)略的實施，季節(jié)凍土區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將得到更大的發(fā)展，然而，季節(jié)凍土區(qū)邊坡的凍融災(zāi)害是制約季節(jié)凍土去工程建設(shè)的主要問題之一。目前，我國的科研工作者對常溫地區(qū)的邊坡穩(wěn)定性問題進行了深入的研究，取得了豐碩的成果，但是針對季節(jié)凍土區(qū)邊坡的研究很少且資料分散，致使理論研究嚴(yán)重滯后于工程實踐[25]。因此，季節(jié)凍土區(qū)邊坡凍融穩(wěn)定性研究迫在眉睫。

　　鑒于上述，本文根據(jù)季節(jié)凍土區(qū)邊坡春融期易發(fā)生滑坡的現(xiàn)象，基于有限單元法建立了季節(jié)凍土區(qū)邊坡凍融穩(wěn)定性的數(shù)值模擬途徑，以哈同公路某一路塹邊坡為背景，對初始含水量和凍結(jié)負(fù)溫對融化過程中季節(jié)凍土區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響進行定量分析，并對計算結(jié)果進行了討論。

　　1季節(jié)凍土區(qū)邊坡的數(shù)值分析

　　1.1條件簡化

　　(1) 土體為各向同性均質(zhì)體。由于中國東北季節(jié)凍土區(qū)自然地形無大的起伏，因而自然邊坡和人工邊坡的規(guī)模均不算大，加之盆地內(nèi)部各地第四系沉積變化較小，故此同一邊坡中土體一般為各向同性的均質(zhì)體，所以這種簡化假定基本合理。

　　(2) 土體中無鹽分影響。由于中國東北鹽分含量較高的季節(jié)凍土均分布于油田及其附近地區(qū)，而這些地區(qū)基本無邊坡，存在邊坡地區(qū)的土體中鹽分含量一般很低，所以這種簡化假定基本合理。

　　(3)不考慮地下水動水壓力與靜水壓力的影響，并且無邊界水份補給與排泄。

　　(4) 按照平面應(yīng)變問題處理。由于一般邊坡的橫剖面較縱剖面尺寸小得多，所以這種簡化假定基本合理。

　　1.2本構(gòu)關(guān)系的選取

　　邊坡凍融穩(wěn)定與失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵在于土的抗剪強度，而土的初始含水量、凍結(jié)溫度直接強烈影響凍土的抗剪強度，當(dāng)土的最大剪應(yīng)力達(dá)到破壞極限時，邊坡便失穩(wěn)破壞。鑒于此，采用以MohrCoulomb屈服準(zhǔn)則為破壞準(zhǔn)則的彈-塑性模型刻畫土的本構(gòu)行為。

　　1.3邊坡穩(wěn)定性判據(jù)

　　邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)定義如下：

　　Fs=[SX(]τf[]τM[SX)][JY](1)

　　式中：Fs為安全系數(shù);τf土的實際抗剪強度;τM為土臨界狀態(tài)下的最大抗剪強度。

　　引入MohrCoulomb屈服條件，則安全系數(shù)可改寫如下：

　　Fs=[SX(]c+σntanφ[]cc+σntanφc[SX)][JY](2)

　　式中：c為土的實際凝聚力;φ為土的實際內(nèi)摩擦角;cc為土臨界狀態(tài)下凝聚力;φc為土臨界狀態(tài)下內(nèi)摩擦角;σn為實際法向應(yīng)力。

　　以坡體中塑性區(qū)貫通及特征結(jié)點位移突變的綜合考慮，作為邊坡凍融穩(wěn)定性的評價判據(jù)。

　　1.4計算模型與網(wǎng)格劃分

　　基于中國東北季節(jié)凍土區(qū)某一公路路塹邊坡算例，闡述有限單元數(shù)值模擬方法在邊坡凍融穩(wěn)定性分析中的具體應(yīng)用。算例邊坡為一勻質(zhì)的粉質(zhì)黏土邊坡，計算剖面見圖1，坡高H=20 m、坡度β=45°。計算域分為凍融區(qū)與非凍土區(qū)，由8結(jié)點等參四邊形單元剖分計算域。采用位移約束邊界條件，即計算域左、右邊界允許豎向位移、限制水平位移，下部為固定邊界?；谔摴υ硇纬蓡蝿偩仃?，通過直接剛度迭加法組裝總剛矩陣，由威爾遜逐步積分法求解。利用虎克定律求解單元應(yīng)力。

　　圖1粉質(zhì)黏土邊坡剖面

　　1.5土體物理力學(xué)參數(shù)

　　凍土與非凍土的區(qū)別在于凍土的物理力學(xué)參數(shù)是隨著溫度及含水量變化的，具體參數(shù)見表1。

　　2影響因素分析

　　實踐證明，在季節(jié)凍土區(qū)，土的初始含水量和凍結(jié)溫度為影響邊坡凍融穩(wěn)定性的兩個主要因素。以下基于上述中國東北季節(jié)凍土區(qū)某一公路路塹邊坡算例，通過有限單元數(shù)值模擬方法，進行季節(jié)凍土區(qū)邊坡凍融穩(wěn)定性影響因素分析。

　　2.1初始含水量影響

　　為了獲得初始含水量在不同融化深度(h)時對季節(jié)凍土區(qū)融化邊坡穩(wěn)定性的影響，基于所建立的數(shù)值模擬途徑，本文設(shè)計工況見表2。

　　圖3為凍結(jié)溫度為-3 ℃、坡度為45°、坡高為20 m、季節(jié)凍融層厚度為2 m、融化深度為2 m時，不同初始含水量對應(yīng)全融邊坡的安全系數(shù)的擬合曲線。得到初始含水量與全部融化的季節(jié)凍土區(qū)邊坡安全系數(shù)的擬合公式為：

　　Fs=2.58616-0.0009056W0，R=099427[JY](3)

　　式中：Fs為邊坡的安全系數(shù);W0為初始含水量

　　從式(3)可以看出，季節(jié)凍土區(qū)邊坡全融邊坡的安全系數(shù)與土質(zhì)的初始含水量成線性關(guān)系。隨著初始含水量增加，邊坡安全性逐漸降低。

　　圖3全融邊坡的安全系數(shù)與初始含水量關(guān)系

　　2.2凍結(jié)溫度對融化邊坡穩(wěn)定性的影響

　　凍結(jié)溫度直接影響到土體凍結(jié)速率以及凍結(jié)穩(wěn)定后土體中的未凍水含量，從而影響到凍融后土體結(jié)構(gòu)性的變化。為了研究凍結(jié)負(fù)溫對季節(jié)凍土區(qū)融化過程邊坡穩(wěn)定性的影響，選取以下五種工況，即T=[-3、-5、-7、-10、-15]℃，其它參數(shù)參見工況A1。

　　不同融化深度時，凍結(jié)溫度與安全系數(shù)的關(guān)系如圖4所示。從圖4可知，當(dāng)融化深度一定時，隨著凍結(jié)負(fù)溫的降低，季節(jié)凍土區(qū)邊坡的安全系數(shù)降低;當(dāng)融化深度h≤15 m時，凍結(jié)溫度低于-10 ℃對邊坡穩(wěn)定性影響不大。當(dāng)凍結(jié)負(fù)溫一定時，隨著融化深度的增加，邊坡的安全系數(shù)降低。

　　圖4不同融化深度時凍結(jié)溫度與安全系數(shù)的關(guān)系

　　[JP+2]圖5為坡高為20 m、坡度為45°、最大凍融層厚度為2 m、融化深度為2 m時、初始含水量為118%時，不同凍結(jié)負(fù)溫對應(yīng)邊坡的安全系數(shù)的擬合曲線。得到凍結(jié)溫度變化對應(yīng)的凍融層全部融化的季節(jié)凍土區(qū)邊坡的擬合公式為：

　　Fs=1.55073+0.00409T，R=099754[JY](4)

　　式中：Fs為邊坡的安全系數(shù);T為凍結(jié)溫度(℃)

　　從公式(4)可以看出凍結(jié)溫度與融化后邊坡的安全系數(shù)呈線性關(guān)系，即隨著凍結(jié)溫度的降低，融化后邊坡的穩(wěn)定性降低。

　　3結(jié)論

　　[JP+1]我國現(xiàn)有2/3以上干線交通位于季節(jié)凍土區(qū)。隨著西部大開發(fā)和振興東北戰(zhàn)略的實施，季節(jié)凍土區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將得到更大的發(fā)展，然而，季節(jié)凍土區(qū)邊坡的凍融災(zāi)害是制約季節(jié)凍土去工程建設(shè)的主要問題之一。因此，本文根據(jù)季節(jié)凍土區(qū)邊坡春融期易發(fā)生滑坡的現(xiàn)象，基于有限單元法建立了季節(jié)凍土區(qū)邊坡凍融穩(wěn)定性的數(shù)值模擬途徑，以哈同公路某一路塹邊坡為背景，對初始含水量和凍結(jié)負(fù)溫對融化過程中季節(jié)凍土區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響進行定量分析，主要得到以下結(jié)論。

　　(1)當(dāng)融化深度一定時，隨著初始含水量的增加、凍結(jié)溫度的降低，邊坡的安全系數(shù)減小，邊坡的穩(wěn)定性降低。

　　(2)隨著融化深度的增加，邊坡的安全系數(shù)減小，邊坡的穩(wěn)定性降低。

　　(3)得到的初始含水量、凍結(jié)負(fù)溫單因素對全部融化的季節(jié)凍土區(qū)邊坡安全系數(shù)擬合公式，可對工程計算進行預(yù)估計。

　　[JP3]這些結(jié)論對于今后季節(jié)凍土區(qū)邊坡的設(shè)計具有參考意義。值得指出的是，季節(jié)凍土區(qū)邊坡的影響因素很多，而本文作了較多的簡化，所用的方法在定量分析方面是一個新的嘗試，只能起到一個拋磚引玉的作用，還有待于進一步的研究和證實。

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