关键词：
泥岩
边坡稳定性
应力场
渗流场
耦合场
摘要：
已有研究表明,泥岩填料具有遇水崩解、抗压强度降低等性质,这些性质直接影响其作为路基填料的使用性能,尤其在复杂水环境、强渗流场和高荷载等多场耦合因素作用下,地基水压力、渗透路径等会产生变化,导致路基土有效应力发生改变。因此,多场耦合因素作用下,泥岩填筑路基的水环境破坏模式与常用土体存在本质区别,常规路基处理工艺不足以展现泥岩填筑路基在多场耦合环境下的破坏特性。然而,由于泥岩填筑路基填料区在渗流场演变过程中变形规律研究欠缺,导致设计依据不充分,施工成本增加。因此,如何从根本上明确问题根源,采取针对性的施工保障措施,成为广大科研工作者和高速公路建设者们亟待解决的问题。本研究综合采用理论分析、物理试验、数值模拟等手段,就泥岩路基填料在多场耦合因素作用下物理力学性能、回填区域边坡稳定性及预警应用等开展了系统研究。首先,通过室内试验对泥岩填料的基本物理力学性能,尤其是水环境影响下的路用性能指标进行了系统分析,初步获得了泥岩填料路用的可适性;其次,基于室内试验获得的不同条件下的指标参数,依托COMSOL Multiphysics有限元软件,对不同场域条件下的泥岩填料路基边坡稳定性进行分析,获得了应力场与渗流场耦合作用下泥岩边坡的变形规律;最后,采取现场原位试验监测手段,通过现场采集试验数据,与有限元模拟获得的泥岩填料在耦合场中变形规律进行对比分析,开展了泥岩填料路基边坡稳定性的应用研究,建立了适用于泥岩填料路基边坡的安全预警体系。论文主要取得如下成果:(1)通过室内点荷载试验以及承载比试验对不同水环境下泥岩填料的单轴抗压强度及承载比进行研究,研究发现:泥岩填料试件的单轴抗压强度随含水率的增加以二次函数趋势逐渐降低,并通过拟合曲线得到泥岩填料试件的最小单轴抗压强度为5.88MPa,根据《工程岩体分体标准》判断其为软岩;泥岩填料试件的承载比随含水率的增加以指数函数趋势缓慢降低至5%后保持不变,室内试验研究表明试验用泥岩填料物理力学性能参数符合相关规定的要求。(2)基于COMSOL Multiphysics有限元软件对应力场下不同填料性质及边坡特性的泥岩填料路基边坡稳定性进行分析,获得了泥岩填料路基边坡稳定安全系数变化趋势。研究表明:泥岩路基边坡安全稳定系数随着含水率由9.0%增加至17.0%以线性发展趋势逐渐由2.76减小至1.50,减小了46%;随压实度由90%增加至98%以线性发展趋势逐渐由2.76增加至3.58,增加了29%;随着边坡坡率由1:3增加至1:0.5以指数函数发展趋势由3.85减小至1.87,降低了51.43%;随着边坡高度由1.5m增加至7.0m以线性发展趋势由2.76降至2.62,降低了5.07%。研究发现,将泥岩填料含水率控制在21.19%以下,并严格控制泥岩填料压实度,应力场作用下的泥岩填料路基边坡稳定性能完全可以满足相关规范的要求。(3)对渗流场与应力场耦合作用下泥岩填料路基边坡的孔隙水压力、水平及竖向位移进行了系统分析。结果表明:随着降雨强度的增加,尤其是在降雨强度达到70mm/d后,泥岩填料路基边坡在降雨入渗影响下逐渐趋于饱和,泥岩填料路基边坡孔隙水压力逐渐增加,泥岩填料遇水强度迅速降低,从而使得泥岩填料路基边坡水平及竖向位移迅速增加,但总体位移量未超过1mm,满足路用性能指标要求。(4)模拟获得了耦合场中渗流场演变变化过程中泥岩填料路基边坡安全稳定变化规律。研究发现:在降雨时长为48h时,降雨强度由20mm/d增加至210mm/d的过程中,泥岩填料路基边坡稳定安全系数由3.10降低至2.93;在降雨强度为200mm/d,降雨时长由8h增加至48h过程中,边坡稳定安全系数由3.03降至2.93;在降雨量均为420mm时,泥岩填料路基边坡在降雨条件为20mm/d,21d时为3.07,在降雨条件为210mm/d,2d时降至2.93,均满足路用性能指标要求。同时,通过对应力场作用下泥岩填料路基边坡处于基本稳定状态、欠稳定状态、不稳定状态时的极限水平位移量进行模拟研究,获得了耦合场作用下泥岩填料路用性能阈值,为泥岩路用预警体系建立奠定了基础。(5)基于现场原位试验研究,获得了泥岩路基中力、位移等基本参数,并将其与耦合场中模拟获得阈值进行对比分析,建立了泥岩路基路用预警体系。采用陀螺仪与层间陀螺仪对泥岩填料路基边坡进行现场原位监测,采集得到泥岩填料路基边坡的水平位移及角度变化情况,同时选取降雨强度为中雨,降雨时长为12h时的情况与模拟结果进行对比分析,结果表明,测斜仪监测数据与模拟结果之间误差保持在0.01mm以内,陀螺仪监测数据与模拟结果之间误差保持在0.001°以内,完全满足实用性能要求,因此可将耦合场中数值模拟结果用作泥岩填料路基边坡预警阈值,并以此为依托构建了泥岩路用性能的预警体系。
