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寒区盐渍土边坡除受盐渍土自身湿陷性和盐胀性影响外,还受到季节性冻融循环作用,在春融期极易发生失稳破坏。本文依托国家重点研发项目子题“高陡边坡、高填及特殊路基的健康监测、全生命期安全评价和预警平台方案设计”(编号2016YFC0802203)进行研究。论文主要的工作和取得的成果如下:
(1)通过冻融循环试验,分析了冻融循环作用下盐渍土抗剪强度参数的变化规律。得出当含盐量一定时,随着冻融循环次数的增加,NaCl和Na2SO4盐渍土粘聚力在前5、10次冻融循环条件下衰减较为明显,第15、20次衰减速率开始减小,而内摩擦角在冻融循环作用下只有小幅度衰减。当含盐量增加时,冻融循环作用下NaCl和Na2SO4盐渍土粘聚力、内摩擦角的衰减幅度增加,并且Na2SO4盐渍土粘聚力衰减幅度大于NaCl盐渍土,内摩擦角衰减幅度与NaCl盐渍土类似。最后通过多变量最优拟合预测模型和人工神经网络建立了寒区盐渍土抗剪强度预测方法,利用训练好的人工神经网络预测了含盐量由1%增加到8%,冻融循环次数由0次增长到50次的盐渍土抗剪强度参数值,与试验规律类似。
(2)基于伴有相变的非稳态温度场理论,结合路面有效辐射、盐渍土热参数、附面层边界条件以及风速和太阳辐射等气象要素,利用ABAQUS传热软件和Fortran语言二次开发模拟了考虑时间效应下的寒区盐渍土边坡温度场。分析得到年平均地温和坡高的增加,盐渍土边坡冻融深度增加。盐渍土边坡冻融深度随坡率呈v型变化,坡率为1:1时冻融深度最小。盐渍土边坡冻土和融土比热越大,边坡热稳定性越好;边坡冻融深度随融土导热率增加而增加,随冻土导热率增加而减小。
(3)通过现场勘查提出来寒区盐渍土边坡有表层冲沟、滑塌和热融塌陷三种破坏方式。首先考虑融化期间水的渗流作用,基于有效应力法和修正的Stenfen方程,建立了时间效应下寒区盐渍土边坡滑塌破坏稳定性方程。基于概率统计的一阶二次矩阵可靠度分析法建立寒区盐渍土边坡的失稳概率计算方法。然后通过工程案例和ABAQUS分析考虑时间效应下寒区盐渍土边坡破坏机制,发现随着时间增加,边坡塑性区从坡脚沿冻融界面至坡顶贯通,边坡位移破坏主要发生在冻融界面上。最后分析得出不同含盐量、不同坡角盐渍土边坡的稳定系数随时间增加呈指数衰减。含盐量越高、坡角越大,边坡达到不稳定状态的时间越短,并且亚硫酸盐渍土边坡比氯化盐渍土边坡更容易失稳破坏。
(1)通过冻融循环试验,分析了冻融循环作用下盐渍土抗剪强度参数的变化规律。得出当含盐量一定时,随着冻融循环次数的增加,NaCl和Na2SO4盐渍土粘聚力在前5、10次冻融循环条件下衰减较为明显,第15、20次衰减速率开始减小,而内摩擦角在冻融循环作用下只有小幅度衰减。当含盐量增加时,冻融循环作用下NaCl和Na2SO4盐渍土粘聚力、内摩擦角的衰减幅度增加,并且Na2SO4盐渍土粘聚力衰减幅度大于NaCl盐渍土,内摩擦角衰减幅度与NaCl盐渍土类似。最后通过多变量最优拟合预测模型和人工神经网络建立了寒区盐渍土抗剪强度预测方法,利用训练好的人工神经网络预测了含盐量由1%增加到8%,冻融循环次数由0次增长到50次的盐渍土抗剪强度参数值,与试验规律类似。
(2)基于伴有相变的非稳态温度场理论,结合路面有效辐射、盐渍土热参数、附面层边界条件以及风速和太阳辐射等气象要素,利用ABAQUS传热软件和Fortran语言二次开发模拟了考虑时间效应下的寒区盐渍土边坡温度场。分析得到年平均地温和坡高的增加,盐渍土边坡冻融深度增加。盐渍土边坡冻融深度随坡率呈v型变化,坡率为1:1时冻融深度最小。盐渍土边坡冻土和融土比热越大,边坡热稳定性越好;边坡冻融深度随融土导热率增加而增加,随冻土导热率增加而减小。
(3)通过现场勘查提出来寒区盐渍土边坡有表层冲沟、滑塌和热融塌陷三种破坏方式。首先考虑融化期间水的渗流作用,基于有效应力法和修正的Stenfen方程,建立了时间效应下寒区盐渍土边坡滑塌破坏稳定性方程。基于概率统计的一阶二次矩阵可靠度分析法建立寒区盐渍土边坡的失稳概率计算方法。然后通过工程案例和ABAQUS分析考虑时间效应下寒区盐渍土边坡破坏机制,发现随着时间增加,边坡塑性区从坡脚沿冻融界面至坡顶贯通,边坡位移破坏主要发生在冻融界面上。最后分析得出不同含盐量、不同坡角盐渍土边坡的稳定系数随时间增加呈指数衰减。含盐量越高、坡角越大,边坡达到不稳定状态的时间越短,并且亚硫酸盐渍土边坡比氯化盐渍土边坡更容易失稳破坏。