洪水作用下受錨土質(zhì)邊坡穩(wěn)定可靠度分析

洪水作用下受錨土質(zhì)邊坡穩(wěn)定可靠度分析

0邊坡穩(wěn)定時效可靠度概念路坡主要由巖石材料組成，包括各種間隙、間隙、溶蝕和礦物顆粒。它的穩(wěn)定性受自然條件、氣候條件和人工活動的影響。地表水和地下水的不利影響非常顯著，能使介質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)調(diào)整、強度弱化、荷載增加進而導(dǎo)致邊坡滑坡災(zāi)害頻頻發(fā)生，一旦產(chǎn)生滑坡，破壞后果是災(zāi)難性的錨桿加固邊坡是一種典型的邊坡支擋結(jié)構(gòu)，他主動加固巖土體，限制巖土體的變形，有利于發(fā)揮巖土體的抗剪強度，在交通、水利、市政和建筑等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。由于巖土材料具有離散性和非線性黏彈塑性的變形特點，加上該類材料的物理力學(xué)指標(biāo)地域差異性又較大，且賦存環(huán)境也復(fù)雜多變，已證實其強度和穩(wěn)定狀態(tài)具有明顯的時效隨機特性，因此，對洪水作用下進行受錨邊坡穩(wěn)定時效可靠度的研究具有重要意義。目前，在錨固結(jié)構(gòu)失效模式與可靠度研究方面，學(xué)者們已做了許多研究工作1在洪水的作用下，坍塌邊坡上的多效模式1.1洪水的拖兩種力洪水效應(yīng)對路基邊坡土體主要引起拖曳力和浮力的作用，其中拖曳力主要是土體與洪水流的摩擦阻力及水位壓力差產(chǎn)生，對土體剪應(yīng)力有重要的影響，洪水水位以下任一點單位寬度和水深的拖曳力為式中:C1.2土錨體系的多失效模式研究成果顯示:錨桿加固土質(zhì)邊坡的效果取決于錨土界面的黏結(jié)強度，只要該界面位置剪應(yīng)力超過了黏結(jié)強度或者黏結(jié)強度的喪失就會產(chǎn)生錨固失效邊坡滑動。然而洪災(zāi)期，洪水的水位和流速是在不斷地變化，作為多孔介質(zhì)的土體一旦受到洪水要素的浸濕，很容易使錨土界面的黏結(jié)強度減弱而發(fā)生破壞，其破壞形式主要有:鋼筋桿體與砂漿錨固體的剪切破壞;砂漿錨固體與圍巖土體界面的脫黏破壞;砂漿錨固體內(nèi)部的剪切破壞;圍巖土體的拉剪破壞;鋼筋的拉伸屈服和錨頭范圍圍巖土體的局部壓剪及松弛等6種破壞形式在受錨邊坡工程中，普遍認(rèn)為桿體在軸力作用下通過荷載傳遞后，在土錨界面和土體內(nèi)部會產(chǎn)生過大的剪應(yīng)力或剪應(yīng)力集中，當(dāng)剪應(yīng)力超過其抗剪強度時，便呈現(xiàn)剪切破壞，因此，土錨體系的多失效模式符合串聯(lián)系統(tǒng)。錨桿加固系統(tǒng)的多失效模式，見圖1。根據(jù)圖1中錨桿加固系統(tǒng)多失效模式的組成特點，在錨桿加固巖土邊坡穩(wěn)定可靠度分析中，將錨固失效事件用X式中:m,n分別表示錨固系統(tǒng)的子系統(tǒng)和失效模式;X2模型以及信號源可靠性指標(biāo)2.1土體模型的理論分析蠕變是土體、砂漿錨固材料固有的力學(xué)屬性，應(yīng)力對蠕變的影響非常明顯。土錨結(jié)構(gòu)中，因桿體與砂漿錨固體的強度均大于土體，在剪切力作用下，土體最容易產(chǎn)生較大的剪切變形，因此會在砂漿與土體界面優(yōu)先形成剪切滑移面而破壞，即該剪切面上的滑移穩(wěn)定性往往是通過桿體傳遞的軸力與土體的黏結(jié)強度直接進行比較來判斷。錨固結(jié)構(gòu)能阻止路基邊坡土體的滑動變形，其中錨桿預(yù)應(yīng)力能抵抗土體推力對土體變形的影響。在土體介質(zhì)蠕變變形過程中，預(yù)應(yīng)力因松弛隨時間在不斷調(diào)整，土體蠕變應(yīng)力也會發(fā)生不斷的變化。另外，洪水作用能使土體蠕變變形進一步調(diào)整，甚至出現(xiàn)加速蠕變位移，即土體蠕變與錨桿預(yù)應(yīng)力損失的耦合作用和蠕變?nèi)A段過程。因此，在土體蠕變土錨耦合分析時，擬采用文獻錨桿應(yīng)力計算式為其中，式中:σ為錨固結(jié)構(gòu)的蠕變應(yīng)力，MPa;E在水位下降過程中，應(yīng)考慮沖刷深度的影響，結(jié)合式(3)，為了克服動水壓力對錨固結(jié)構(gòu)蠕變應(yīng)力的影響，應(yīng)對錨桿進行補償張拉，其補償拉力為式中:A2.2錨固工程的依性目前，錨固結(jié)構(gòu)可靠度的計算大都是基于荷載定值來獲得瞬時可靠度指標(biāo)，卻忽略了可靠度指標(biāo)的時間相依性，這是與實際錨固工程不符的。大量事實證明，在荷載傳遞過程中，剪應(yīng)力呈現(xiàn)非線性變化特征，錨固效應(yīng)取決于抗剪強度發(fā)揮的程度，并且其強度值隨時間還在不斷調(diào)整，因此，受錨結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠狀態(tài)也隨時間不斷變化。剪應(yīng)力指數(shù)形式為其中，r式中:σ為軸向應(yīng)力，MPa，為便于分析，取值為錨桿應(yīng)力;G3時效可靠度指標(biāo)在錨固結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)計算過程中，通常采用錨固材料抗剪強度的安全余量來定義功能函數(shù)Z極限狀態(tài)方程抗剪強度引用文獻其中，剪應(yīng)力τ(x)和抗剪強度τ根據(jù)可靠度指標(biāo)定義式中:μ，σ分別為功能函數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。結(jié)合一次二階矩法，通過求偏導(dǎo)數(shù)可以得到時效可靠指標(biāo)式(11)，計算過程中將功能函數(shù)進行線性化處理。線性化過程主要是通過取級數(shù)的線性項，即去掉導(dǎo)數(shù)的高階部分，再結(jié)合式(7)、式(8)，得到洪水作用下路基受錨邊坡的時效可靠度指標(biāo)(可靠度指標(biāo)為功能函數(shù)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差的比值)解析式為洪水因素為水深2.0m，沖刷深度0.3m，糙率0.025，洪水流速2.4m/s。土體的抗剪強度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角為相互獨立的隨機變量。大量試驗研究結(jié)果表明通過一次二階矩法求解時效可靠度指標(biāo)β(t)，根據(jù)計算結(jié)果來分析時效可靠度指標(biāo)β(t)的變化趨勢。蠕變效應(yīng)的可靠度指標(biāo)變化值，見圖4。從圖4可知:時效可靠度指標(biāo)受邊坡幾何形態(tài)、地下水滲流特性和錨桿參數(shù)的影響，隨著邊坡高度的增加，滑坡推力增加，錨桿預(yù)應(yīng)力充分發(fā)揮，邊坡時效可靠度指標(biāo)減低，而隨著錨固力增加，抵消滑坡推力，邊坡趨于穩(wěn)定，因此時效可靠度指標(biāo)增加;隨著地下水滲透，有效應(yīng)力增加，抗剪強度指標(biāo)提高，邊坡時效可靠度指標(biāo)增加。同時受錨邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠度指標(biāo)與蠕變時間呈明顯的非線性特征，其變化趨勢為衰減的指數(shù)特征，在洪水作用早期時效可靠度指標(biāo)β(t)變化非常明顯，在160小時內(nèi)可靠度從10.0減到2.8，隨著時間的延續(xù)，時效可靠度指標(biāo)β(t)逐漸降低且變化減緩，580小時以后可靠度指標(biāo)為0.5，錨固失效概率增加，甚至出現(xiàn)受錨邊坡的破壞事故，應(yīng)及時加強綜合防護與治理工作。4基于穩(wěn)定性分析的支護效果本文對洪水效應(yīng)受錨土質(zhì)邊坡的失效模式、錨桿加固系統(tǒng)的蠕變模型和時效可靠度指標(biāo)解析式等方面展開了研究。(1)根據(jù)受錨邊坡的組成特點和剪切破壞形式，總結(jié)了受錨邊坡系統(tǒng)的6種破壞形式，構(gòu)建了錨桿加固系統(tǒng)失效模式的串聯(lián)模型圖，獲得了錨固系統(tǒng)的破壞概率計算式。(2)基于土錨結(jié)構(gòu)變形特征和非線性蠕變模型特點，通過添加M-C塑性元件，建立了應(yīng)用于路基受錨高陡邊坡的非線性蠕變模型。根據(jù)位移協(xié)調(diào)條件，分析了錨固結(jié)構(gòu)蠕變應(yīng)力和錨固荷載隨時間變化的特點，還獲得了洪水作用錨桿應(yīng)力補償值的計算式。(3)建立了受錨邊坡穩(wěn)定系統(tǒng)時間效應(yīng)的可靠度指標(biāo)解析式，改進了傳統(tǒng)安全系數(shù)定值法分析邊坡穩(wěn)定性的局限性。通過算例顯示，在洪水初期應(yīng)及時加強邊坡支擋與防排水工作。式中:μ從式(11)看出:受錨邊坡時效穩(wěn)定性受錨固土體的力學(xué)性質(zhì)(抗剪強度指標(biāo))、錨固設(shè)計參數(shù)(錨桿預(yù)應(yīng)力)和錨土界面黏結(jié)強度的影響(