降雨入渗-膨胀土-刚柔复合挡墙数值模拟.pdf
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1、第39卷 第3期2023年 6月Vol.39 No.3Jun.2023交通科学与工程JOURNAL OF TRANSPORT SCIENCE AND ENGINEERINGDOI:10.16544/431494/u.20210929001 文章编号:1674599X(2023)03003808引用格式:韦秉旭,易垒,李金明,等.降雨入渗-膨胀土-刚柔复合挡墙数值模拟 J.交通科学与工程,2023,39(2):38-45.Citation:WEI Bingxu,YI Lei,LI Jinming,et al.Numerical simulation of rainfall infiltratio
2、n-expansive soil-rigid flexible composite retaining wallJ.J.Transp.Sci.Eng.,2023,39(3):38-45.降雨入渗-膨胀土-刚柔复合挡墙数值模拟韦秉旭1,易垒1,李金明2,谢唐新1,杨超2(1.长沙理工大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410114;2.广西路建工程集团有限公司,广西 南宁 530029)摘要:为研究不同降雨条件下膨胀土地区墙背侧向压力的变化情况,以及EPS垫层模量对刚柔复合挡墙应力应变的影响,采用GeoStudio及FLAC3D软件,通过多场耦合的膨胀本构模型,对降雨条件下膨胀土堑坡刚柔复合挡墙
3、结构进行了数值模拟。研究结果表明:随着降雨的入渗,墙背侧向压力显著增大;在停雨期,更深处土层的墙背侧向压力更大,而面层的则呈减小趋势。与刚性挡墙相比,刚柔复合挡墙的墙背侧向土压力和挡墙的水平位移明显减小,且随着EPS垫层模量的减小,其压缩量增大,EPS垫层的减压效果显著提升。要根据实际工程对EPS垫层模量进行合理取值。关键词:刚柔复合挡墙;膨胀土;降雨入渗;EPS垫层中图分类号:U414文献标志码:A Numerical simulation of rainfall infiltration-expansive soil-rigid flexible composite retaining w
4、allWEI Bingxu1,YI Lei1,LI Jinming2,XIE Tangxin1,YANG Chao2(1.School of Transportation Engineering,Changsha University of Science&Technology,Changsha 410114,China;2.Guangxi Road Construction Engineering Group Co.,Ltd.,Nanning 530029,China)Abstract:To investigate the variation of lateral pressure on t
5、he backside of retaining walls in different rainfall conditions and the influence of expanded polystyrene(EPS)layer modulus on stress-strain behavior of rigid-flexible composite walls,this study employed GeoStudio and FLAC3D software to numerically simulate the behavior of embankments with expansive
6、 soil subjected to rainfall.The results indicate the following:With rainfall infiltration,the lateral pressure on the backside of the wall significantly increases;during the rain cessation period,the lateral pressure increases for deeper soil layers,while it decreases for the surface layer.Compared
7、to rigid walls,the rigid-flexible composite walls exhibit significantly reduced lateral soil pressure and horizontal displacement;as the modulus of the EPS cushion decreases,the compression of the cushion increases,leading to a significant improvement in pressure reduction.The modulus of the EPS lay
8、er should be selected based on the specific engineering requirements.Key words:rigid-flexible composite retaining wall;expansive soil;rainfall infiltration;EPS layer膨胀土边坡素有“逢堑必滑,无堤不塌”的说法1。在降雨条件下,膨胀土边坡吸水膨胀,产生膨胀变形,严重影响了边坡的稳定性。工程中,膨胀土边坡常用的治理方法大致分为两类:刚性支护和柔性支护。刚性支护通过结构自重维持边坡的稳定,但是对于膨胀土吸水膨胀这一特殊的工程性质,刚性支护
9、效果并不好。王年香等2通过大型模型试验发现,膨胀土遇水后发生膨收稿日期:2021-09-29作者简介:韦秉旭(1970),男,长沙理工大学教授,硕士生导师。韦秉旭,等:降雨入渗-膨胀土-刚柔复合挡墙数值模拟第3期胀变形,刚性挡土墙的侧向膨胀压力显著增加。杨和平等3在治理南宁外环的膨胀土时发现,仅靠刚性支挡难以保证开挖边坡的稳定。南昆铁路某路段的浆砌片石挡墙因膨胀土胀缩而挤裂、垮塌,严重影响了线路的安全和稳定4。魏耀华等5针对膨胀土的特殊性质,对重力式挡土墙的设计展开了研究。柔性支护允许膨胀土发生一定的膨胀变形,释放绝大部分的膨胀力,维持边坡的稳定性。谭波等6通过有限元软件分析指出,柔性支护能有
10、效减小墙背水平位移,具有良好的支挡效果。杨和平等3通过数值模拟提出,膨胀土堑坡采用加筋土柔性挡墙支护能保持堑坡的相对稳定。苏丕辉等7指出,虽然柔性支护在一定程度上能控制膨胀土边坡的变形,但是其不能为边坡提供足够的抗滑力,边坡仍有失稳破坏的风险。孔令伟等8对膨胀土的研究现状进行了综述,建议在工程实际中加强刚性支护和柔性支护的综合使用。郑俊杰等9-10提出了一种刚柔复合桩基挡墙的结构。通过数值模拟,发现在刚性桩基挡墙结构后面设置柔性材料,可有效地减小刚性挡墙结构的侧向膨胀压力。但这些研究均是借鉴温度应力场理论来实现膨胀土干缩湿胀特性的10-11。虽然该类模型在一定程度上体现了含水量与膨胀变形的关系
11、,但是温度扩散方程与渗流连续方程相似,仅在饱和渗流情况下发生该现象12-13。膨胀土是典型的非饱和土,基于热固耦合模块开发的膨胀土模型,不具有土水特征曲线,其不仅无法体现土体的持水特性,真实地描述膨胀土内部水分迁移的特性,也无法模拟降雨、停雨等天气情况。因而,其难以模拟在降雨条件下膨胀土堑坡刚柔复合挡墙结构的应力应变。因此,本研究针对膨胀土堑坡降雨入渗和膨胀变形,综合考虑膨胀土堑坡的渗流-膨胀-应力效应,编写膨胀土堑坡刚柔复合挡墙降雨入渗分析程序。采用更适用于膨胀土堑坡的刚柔复合挡墙结构(即在刚性挡土墙和墙背膨胀土之间设置聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene board,EP
12、S)柔性垫层),其具体结构如图 1所示。以广西壮族自治区宁明北江-板烂公路的某膨胀土堑坡为研究对象,分析在不同降雨条件下挡墙的受力特性,选取某一不利工况,探讨EPS垫层模量对刚性挡墙结构受力变形的影响,为研究膨胀土堑坡的支挡防护提供参考。上层表土EPS垫层刚性挡土墙膨胀土图1刚柔复合挡墙结构Fig.1Rigid-flexible composite retaining wall structure 1理论基础1.1膨胀本构模型张良以等14-15提出了多场耦合数值计算方法,将膨胀土的膨胀应变引入到非饱和土的计算模型中,建立了一种考虑膨胀应变的非饱和膨胀土的多场耦合数值计算方法。由于土体受到内部和
13、外部的约束作用,膨胀土在吸水和失水过程中,膨胀应变不能自由发生。根据弹性增量理论,将膨胀应变作为弹性体附加应变带入应变分量,其表达式为:x=1Ex-()y+z+wijy=1Ey-()x+z+wijz=1Ez-()x+y+wijij=ij2E(1+2)(1)将式(1)更新为总应力分量,其表达式为:x=E(1-)(1+)(1-2)x+E(1+)(1-2)()y+z+E1-2wijy=E(1-)(1+)(1-2)y+E(1+)(1-2)()x+z+E1-2wijz=E(1-)(1+)(1-2)z+E(1+)(1-2)()x+y+E1-2wijij=2Eij1+2(2)39第39卷交通科学与工程式中:
14、E和v是随含水率和体积应力变化的参数,通过GDS 三轴试验获得;wij为膨胀应变张量,膨胀应变由室内试 验 确 定,其 值 与 含 水 率 增 量 有关;x、y、z分别为3个方向的应变张量;ij、ij分别为切应变、切应力。主应力分量x,y和z的最后一项可以看作是因膨胀变形作用产生的膨胀应力P,其表达式为:P=E1-2wij=3Kwij (3)式中:P为膨胀应力附加项;K为体积模量。式(1)为引入膨胀应变后的应力应变本构方程;膨胀土弹性阶段的总应力关系通过式(2)表示,屈服准则和流动法参照Mohr-Coulumb模型。1.2渗流-膨胀-应力分析方法为考虑膨胀土堑坡的降雨入渗和遇水膨胀等问题,提出
15、一种综合考虑膨胀土堑坡渗流-膨胀-应力效应的分析方法,其实现过程如下:1)采用有限元软件GeoStudio的SEEP模块,对膨胀土堑坡进行降雨条件下的渗流计算。2)通过编制接口程序,将计算得来的不同时刻边坡孔隙水压力和重度导入有限差分软件FLAC3D。3)在有限差分软件 FLAC3D中,采用膨胀本构模型,实现降雨条件下膨胀土堑坡刚柔复合挡墙的数值模拟。其计算流程如图2所示。导入渗流计算结果施加不同降雨流量边界刚柔复合挡墙的应力应变分析建立FLAC3D等效模型定义材料属性考虑EPS垫层不同弹性模量导入不同降雨条件下的孔压场建立SEEP渗流分析模型图2计算流程图Fig.2Calculation f
16、low chart2数值模型与计算方案2.1数值模型广西壮族自治区境内S213宁明北江-板烂公路K8+240处膨胀土堑坡高10 m,坡比为1 2。气象资料显示,该路线经过区域的气候温暖潮湿,雨量充沛。经现场开挖发现,边坡上表层大约1 m是已风化,灰白夹黑色的梗植土,具有弱膨胀性;下底层以灰白色膨胀土为主,具有较强的膨胀性。由于现场的地形和地质情况较复杂,难以准确地对其模拟。因此,为保证数值模拟分析有效、可靠,根据膨胀土堑坡地质情况进行了以下假定:1)根据膨胀土的膨胀性,将土层划分为上、下土层;2)上、下土层的物理参数视为均一常数,并在现场取各代表层土样试验,得到数值模拟基本参数;3)假定初始状
17、态下膨胀土堑坡不存在膨胀力和膨胀变形;4)各土层接触条件为完全连续接触,墙背EPS垫层与挡墙、土体均接触良好,忽略泄水孔排水,仅考虑坡面排水。结合实际工程和基本假定,采用FLAC3D软件,建立膨胀土堑坡刚柔复合挡墙结构数值分析模型。选取单位长度(1.0 m)的挡土墙进行分析,A 为刚性挡墙,高6.0 m,顶宽2.0 m,底宽4.0 m;在刚性挡墙与路堑边坡间设置 EPS 垫层 B,垫层与挡墙齐高,宽 1.0 m;膨胀土堑坡分为 C、D 两层,表层厚1.0 m,坡比为1 2,坡顶距墙底10.0 m;模型尺寸示意如图3所示。在数值模型中,网格划分采用边长为0.1 m的六面体。A:刚性挡墙B:EPS
18、垫层C:膨胀土堑坡上层D:膨胀土堑坡下层6494121图3模型尺寸示意(单位:m)Fig.3Model size illustration(unit:m)挡土墙计算参数见表1。表1挡墙物理力学参数Table 1Physical and mechanical parameters of retaining wall材料挡土墙弹性模量/GPa21泊松比0.2重度/(kNm-3)24.540韦秉旭,等:降雨入渗-膨胀土-刚柔复合挡墙数值模拟第3期经土工试验获取各土层的物理力学参数,见表2。表2膨胀土物理力学参数Table 2Physical and mechanical parameters of
19、expansive soil土层上土层下土层重度/(kNm-3)1822泊松比0.330.30杨氏模量/MPa1232黏聚力/kPa2465内摩擦角/()18.024.8膨胀系数0.010.032.2本构模型与边界条件在 FLAC3D模型中,挡土墙、EPS 垫层材料均采用弹性本构模型;膨胀土均在本构模型中实现膨胀变形、膨胀力的施加。模型底部为水平及竖向的速度边界,前、后、左、右侧边界为法向约束的速度边界,膨胀土表面和左侧挡墙结构为自由边界,模型底部和四周设置为不透水边界。2.3降雨方案及孔压场1)采用GeoStudio软件的SEEP模块,建立一个与 FLAC3D中的本构模型尺寸大小相同的模型。
20、但需要注意的是:该模型网格属性要采用 4 节点矩形网格,且其单元大小与 FLAC3D模型中的保持一致。2)给定上、下土层的物理力学参数。通过现场取土,经压力板试验,通过Fredlund-Xing模型,拟合得出各土层的土-水特征曲线,如图4所示。3)设定边界条件。根据广西壮族自治区崇左市宁明县的气象观测资料,确定降雨工况,拟定降雨历时3 d,停雨历时6 d,降雨强度2.410-7 m/s。在停雨期间,土体表面须设置出渗边界条件。为更加真实地模拟在停雨期间表层土体的蒸发,出渗强度设为1.410-8 m/s。4)利用SEEP板块对降雨条件下膨胀土堑坡进行渗流计算,得到不同降雨时刻膨胀土堑坡内部孔隙水
21、压力和重度在空间上的分布情况。5)从SEEP中导出渗流计算结果,并进行整理,通过 zone GRIDPOINT initialize 和 zone initialize 命令,把 SEEP 计算的某一时刻的孔压和重度赋给FLAC3D中的模型单元,通过call命令调用文本。100908070605040302010-1 100 101 102 103基质吸力/kPa上层土拟合曲线下层土拟合曲线饱和度/%图4土水特征曲线Fig.4Soil-water characteristic curve2.4数值模型验证选取停雨6 d、不设置EPS垫层时的工况,将墙背侧向压力数值模拟结果与理论值进行对比,如图
22、5所示。膨胀期的墙背土压力根据广义库仑主动土压力理论16计算得到。膨胀力增量由文献 17 中给出的计算公式 Ps=3KT得到,其中,Ps为膨胀力增量,K 为土的体积模量,T 为温度变化量,为膨胀系数。从图5可以看出,数值模拟结果与理论值较为接近,且两者的变化规律基本一致,较好地验证了数值模型的合理性。在此基础上,进一步对刚柔复合挡墙结构的数值模型展开研究。模拟值理论值654321040 50 60 70 80 90 100 110墙背侧向压力/kPa墙高/m图5数值模拟与理论值对比Fig.5Comparison between numerical simulation and theoreti
23、cal value3降雨条件下墙背侧向压力分析3.1降雨3 d 墙背侧向压力图6是不同降雨历时下刚性挡墙墙背侧向压力点线图。从图6中可以看出,随着降雨历时的增加,41第39卷交通科学与工程雨水逐渐入渗,在降雨3 d后,其达到200 cm的最大入渗深度。随着雨水入渗,膨胀土吸水膨胀,墙背侧向膨胀压力显著增大。降雨1 d,地表以下50 cm处的侧向土压力增大了15.15 kPa,75 cm处的侧向土压力增大了3.40 kPa,该变化与含水率沿深度分布变化一致,但 100 cm 处的侧向土压力却减小了2.2 kPa,这一现象与浦敏艳等18做的模型试验实测情况一致。这是由于第一天的降雨入渗未至该深度,
24、而其上层土体与挡墙接触力显著增大,导致了100 cm深度处的挡土墙和墙背土体间出现极小的架空,使侧向土压力减小。从图6还可以看出,降雨3 d,地表以下100 cm处上、下土层的膨胀力的增量与含水率沿深度分布不一致。这是上、下土层的膨胀性差异所导致的。因为下土层膨胀性较强,所以在该点位处墙背侧向压力发生突变。墙高/m5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100墙背压力/kPa初始条件降雨1 d降雨2 d降雨3 d6420图6墙背压力Fig.6Wall back pressure3.2停雨6 d墙背侧向压力图7为停雨期的墙背
25、侧向压力点线图。从图7可以看出,虽然雨停了,但是土体内部的雨水进一步入渗,历时6 d,入渗深度为250 cm。随着停雨历时的增加,地表以下约75 cm范围内的墙背侧向压力是呈减小趋势的。这与表层土体的水分蒸发和入渗深度2个因素相关,它们导致面层土层内分含水率降低,墙背侧向膨胀压力的减小。在地表以下100250 cm的土体,墙背的侧向土压力逐渐增大,这与土体内部雨水入渗深度有关,导致墙背侧向膨胀压力的增大。同样观察到停雨2 d,地表以下250 cm处的墙背侧向压力小于初始墙背侧向压力,这与降雨时出现的极小架空现象一致,停雨4、6 d均存在此现象。64200 20 40 60 80 100墙背压力
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