一种分析重荷条件下浸水风积沙路基边变形的方法 |
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| 申请号 | CN202311557120.7 | 申请日 | 2023-11-21 | 公开(公告)号 | CN117556508A | 公开(公告)日 | 2024-02-13 |
| 申请人 | 中铁建大桥工程局集团第五工程有限公司; 中国铁建大桥工程局集团有限公司; | 发明人 | 徐源泽; 石洪超; 朱桂伏; 赵何明; 袁勇; 郭建强; 白宁; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种分析重荷条件下浸 水 风 积沙路基边 变形 的方法，包括以下步骤：1）建立有限元 几何模型 ；2）根据建立的有限元几何模型进行浸水条件下风积沙路基渗流场分析；3）再根据建立的有限元几何模型进行不同浸水高度下风积沙路基变形特性分析；4）得出重荷条件下浸水风积沙路基边变形的结论。本发明研究以浸水、降雨因素作为切入点，运用有限元 软件 建立重载 铁 路风积沙路基仿真模型，通过渗流场、位移场、安全系数场等关键评价依据，综合分析了重荷条件下浸水风积沙路基的变形特性；采用理论分析、数值模拟，构建重载铁路风积沙路基仿真模型，计算浸水因素对重荷条件下风积沙路基变形特性的影响，可为沙漠地区类似工程的开展提供参考。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种分析重荷条件下浸水风积沙路基边变形的方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种分析重荷条件下浸水风积沙路基边变形的方法技术领域[0001] 本发明涉及地质情况分析技术领域，具体是指一种分析重荷条件下浸水风积沙路基边变形的方法。 背景技术[0002] 随着国家西部大开发工程的逐渐推进以及大宗货运“公转铁”步伐的逐渐加快，未来我国西北沙漠地区重载铁路建设将呈现井喷式增长。然而沙漠地区自然环境恶劣，新建工程极易遭受不良地质与水力的双重影响，季节性浸水风积沙路基是该地区的特殊工程问题。 [0003] 张文伟针对沙漠地区重载铁路路基边坡降水侵蚀提出了一种基于土壤流失方程的路堤易侵蚀性评价方法，并设计出完整的监测‑修复方案。王立军等从国内外重载铁路路基现状出发，分析了现有重载铁路路基存在的诸多问题，并以大秦重载铁路为依托，提出了翻浆冒泥、路基下沉、路肩冲刷等问题的整治方案。叶宇翔通过有限元分析软件，分别对重载铁路过渡段路基进行静力学分析与动力学分析，最终得到不同土性参数条件下路基的受力与变形规律。董亮等建立了重载铁路轨道加路基三维动态有限元几何模型，分析了路基动变形以及路肩倾斜角度随列车荷载、列车速度、表层厚度等因素变化的规律。李玉芳建立了重载铁路高填方路基的三维数值模型，对边坡稳定性及其影响因素进行了系统分析。田爽构建了季节性冻土区冻融循环下路基填料的本构模型，并基于该模型采用有限元分析了冻融循环、含水率、压实度等因素如何作用于路基填料，并反映到路基本体的影响机理。周文权、冷伍明等采用动三轴试验与有限元分析，探究了重载铁路常用粗粒土填料在不同静载作用与动应力作用下的变形规律。刘城从填料工程特性、路基压实工艺、路基设计施工、加筋数值模拟四个方面对重载铁路风积沙路基进行了研究。商拥辉等研究了水泥改良膨胀土的临界动应力，并基于现场路基实际动应力水平对其填筑重载铁路路基的可行性进行了评估。 [0004] 综上所述，对于重载铁路路基变形特性，目前学者主要以国内各大地区重载铁路路基本体的动力特性研究为主，很少针对沙漠地区风积沙路基进行系统性的探讨，特别是对于沙漠地区易积水的季节性沟谷地带，忽略了浸水、降雨等因素所带来的影响。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种能针对沙漠地区风积沙路基进行系统性的探讨，特别是对于沙漠地区易积水的季节性沟谷地带，忽略了浸水、降雨等因素所带来的影响的分析重荷条件下浸水风积沙路基边变形的方法。 [0006] 本发明通过下述技术方案实现：一种分析重荷条件下浸水风积沙路基边变形的方法，包括以下步骤： [0007] (1)建立有限元几何模型； [0008] (2)根据建立的有限元几何模型进行浸水条件下风积沙路基渗流场分析； [0009] (3)再根据建立的有限元几何模型进行不同浸水高度下风积沙路基变形特性分析； [0010] (4)得出重荷条件下浸水风积沙路基边变形的结论。 [0011] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(1)中有限元几何模型的具体建立过程为： [0012] (1.1)选择路堤标准横断面运用有限元软件ABAQUS建立重载铁路风积沙路基仿真模型； [0013] (1.2)选取材料的参数； [0014] (1.3)确认路基荷载和边界条件； [0015] (1.4)选取现场填筑高度相似路段中运营期路基表面沉降监测数据，与模拟计算结果进行比较验证。 [0016] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(1.2)中，选取的材料包括级配碎石、掺6％水泥改良风积沙、以及风积沙，选取材料的参数包括最优含水率，密度、弹性模量、内摩擦角、粘聚力、泊松比、饱和渗透系数。 [0017] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(2)中浸水条件下风积沙路基渗流场分析包括降雨入渗条件下风积沙路基渗流场分析与单侧浸水条件下风积沙路基渗流场分析。 [0018] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述降雨入渗条件下风积沙路基渗流场分析采用非饱和渗流本构与连续降雨模式进行分析。 [0019] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述单侧浸水条件下风积沙路基渗流场分析过程中，其水流渗出段采用DOF边界进行模拟，该边界条件仅在孔压大于0时，允许水流的排出，此时水流流速与孔压成正比，而当孔压小于0时，流速则固定为0，水流无法通过此边界进入内部。 [0020] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(3)中不同浸水高度下风积沙路基变形特性包括不同浸水高度下风积沙路基位移场分析与不同浸水高度下风积沙路基稳定性分析。 [0021] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述不同浸水高度下风积沙路基位移场分析过程为，设置左侧水位为地上0.5m、1.5m、2.5m、3.5m四组工况，分别对应水位高差1.5m、2.5m、3.5m、4.5m的情况，并与无浸水工况(浸水高度‑1m，水位高差0m)进行对比，以此模拟不同浸水高度的影响，分别绘制出不同浸水高度下路基中心线、路基顶面、地基表面的位移变化曲线。 [0022] 为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述不同浸水高度下风积沙路基稳定性分析过程为，先固定路基右侧地下水位高度为地下1m处，依次抬高左侧浸水高度，然后固定路基左侧地下水位高度为地下1m处，依次抬高右侧浸水高度，均以路基右侧滑移面稳定性为观测基准，得到不同浸水高度下风积沙路基安全系数。 [0023] 本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果： [0024] (1)本发明研究以浸水、降雨因素作为切入点，运用有限元软件ABAQUS建立重载铁路风积沙路基仿真模型，通过渗流场、位移场、安全系数场等关键评价依据，综合分析了重荷条件下浸水风积沙路基的变形特性； [0025] (2)本发明采用理论分析、数值模拟等方法，构建重载铁路风积沙路基仿真模型，计算浸水因素对重荷条件下风积沙路基变形特性的影响，可为沙漠地区类似重载铁路工程的开展提供参考，具有积极的进步意义。附图说明 [0026] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更为明显： [0027] 图1为本发明实施例中风积沙重载铁路有限元几何模型； [0028] 图2为本发明实施例中风积沙路基模型验证折线图； [0029] 图3为本发明实施例中风积沙路基降雨期间渗流场的孔隙水压力分布； [0030] 图4为本发明实施例中风积沙路基降雨期间渗流场的饱和度分布； [0031] 图5为本发明实施例中风积沙路基单侧浸水渗流场的单侧浸水孔隙水压力分布； [0032] 图6为本发明实施例中风积沙路基单侧浸水渗流场的单侧浸水饱和度分布； [0033] 图7为本发明实施例中不同浸水高度下路基中心线竖向位移曲线图； [0034] 图8为本发明实施例中不同浸水高度下路基顶面水平位移变化曲线图； [0035] 图9为本发明实施例中不同浸水高度下路基顶面竖向位移变化曲线图； [0036] 图10为本发明实施例中不同浸水高度下地基表面水平位移变化曲线图； [0037] 图11为本发明实施例中不同浸水高度下地基表面竖向位移变化曲线图； [0038] 图12为本发明实施例中不同浸水高度下风积沙路基安全系数折线图。 具体实施方式[0039] 为使本发明的目的、工艺条件及优点作用更加清楚明白，结合以下实施实例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内，此处所描述的具体实施实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0040] 实施例1： [0041] 本实施例提供一种分析重荷条件下浸水风积沙路基边变形的方法，包括以下步骤： [0042] (1)建立有限元几何模型； [0043] (2)根据建立的有限元几何模型进行浸水条件下风积沙路基渗流场分析； [0044] (3)再根据建立的有限元几何模型进行不同浸水高度下风积沙路基变形特性分析； [0045] (4)得出重荷条件下浸水风积沙路基边变形的结论。 [0046] 实施例2： [0047] 本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述步骤(1)中有限元几何模型的具体建立过程为： [0048] (1.1)选择路堤标准横断面运用有限元软件ABAQUS建立重载铁路风积沙路基仿真模型； [0049] (1.2)选取材料的参数； [0050] (1.3)确认路基荷载和边界条件； [0051] (1.4)选取现场填筑高度相似路段中运营期路基表面沉降监测数据，与模拟计算结果进行比较验证。 [0052] 实施例3： [0053] 本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述步骤(1.2)中，选取的材料包括级配碎石、掺6％水泥改良风积沙、以及风积沙，选取材料的参数包括最优含水率，密度、弹性模量、内摩擦角、粘聚力、泊松比、饱和渗透系数。 [0054] 实施例4： [0055] 本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述步骤(2)中浸水条件下风积沙路基渗流场分析包括降雨入渗条件下风积沙路基渗流场分析与单侧浸水条件下风积沙路基渗流场分析。 [0056] 实施例5： [0057] 本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述降雨入渗条件下风积沙路基渗流场分析采用非饱和渗流本构与连续降雨模式进行分析。 [0058] 实施例6： [0059] 本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述单侧浸水条件下风积沙路基渗流场分析过程中，其水流渗出段采用DOF边界进行模拟，该边界条件仅在孔压大于0时，允许水流的排出，此时水流流速与孔压成正比，而当孔压小于0时，流速则固定为0，水流无法通过此边界进入内部。 [0060] 实施例7： [0061] 本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述步骤(3)中不同浸水高度下风积沙路基变形特性包括不同浸水高度下风积沙路基位移场分析与不同浸水高度下风积沙路基稳定性分析。 [0062] 实施例8： [0063] 本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述不同浸水高度下风积沙路基位移场分析过程为，设置左侧水位为地上0.5m、1.5m、2.5m、3.5m四组工况，分别对应水位高差1.5m、2.5m、3.5m、4.5m的情况，并与无浸水工况(浸水高度‑1m，水位高差0m)进行对比，以此模拟不同浸水高度的影响，分别绘制出不同浸水高度下路基中心线、路基顶面、地基表面的位移变化曲线。 [0064] 实施例9： [0065] 本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述不同浸水高度下风积沙路基稳定性分析过程为，先固定路基右侧地下水位高度为地下1m处，依次抬高左侧浸水高度，然后固定路基左侧地下水位高度为地下1m处，依次抬高右侧浸水高度，均以路基右侧滑移面稳定性为观测基准，得到不同浸水高度下风积沙路基安全系数。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。 [0066] 实施例10： [0068] 1.有限元几何模型的建立 [0069] 1.1几何模型的建立 [0071] 选取此项目路堤标准横断面进行模拟分析，具体参数依据相关工程图纸及规范标准进行设置，计算模型坡高7m，坡顶宽3.9m，坡度为1:2，其中路堤基床表层填筑0.6m厚的级配碎石(A组填料)，基床底层填筑1.9m厚的改良风积沙填料(B组填料)，基床以下路堤本体填筑4.5m厚的风积沙填料(C组填料)，地基为10m厚的细砂地层。为避免地基边界对分析计算结果的影响，模型沿线路行进方向取15m，地基宽度取70m。几何模型如图1所示。 [0072] 1.2材料参数的选取 [0073] 该模型主要针对路基及地基土体的塑性变形进行研究，采用莫尔‑库伦本构模型对路基填筑材料及地基土层材料进行模拟；土工格栅在实际应用过程中，工作状态通常位于弹性范围以内，采用弹性模型进行模拟。模型材料参数设置如表1所示。 [0074] 考虑土工格栅的结构组成以及只能承受平面方向拉应力的特殊性，选取能承受薄膜荷载、不能承受弯曲荷载的壳单元(shell)进行模拟。土工格栅与路基的相互作用采用软件内置的嵌入约束功能(embedded)实现，不考虑两者之间的相对滑动，始终保持紧密的变形接触关系。 [0075] 表1路基填料及地基土层材料参数 [0076] [0077] [0078] 1.3荷载及边界条件 [0079] 依据《重载铁路设计规范》(TB10625‑2017)[12]一般规定，采用换算土柱法对路基顶部所受列车、轨道荷载进行简化计算。该新建煤运铁路的设计轴重为300kN，基床表层采用级配碎石进行填筑，查询规范可将列车、轨道荷载等效计算成重度20kN/m3、高度3.7m、宽度3.4m的土柱。模拟过程中将其以均布荷载的方式施加在路基顶面中心区域，大小为74kPa，沿路基顶面中心线向两侧方向各分布1.7m。 [0080] 骨架护坡：垂直于边坡坡面的均布荷载q＝5kPa。 [0081] 边界条件：设置模型顶面为自由边界，约束模型侧面法向位移，固定模型底面。 [0082] 1.4模型验证 [0083] 选取现场填筑高度相似路段中运营期路基表面沉降监测数据，与模拟计算结果进行比较验证，如图2所示。 [0084] 可以看出，模拟计算结果与运营期路基表面沉降监测数据趋势相同，呈中间低、两端高的“凹”形，误差约3.5％处于合理范围内，说明风积沙路基模型本构与参数选择较为准确，满足工程计算要求，可以以此展开更深层次的研究与分析。 [0085] 2.浸水条件下风积沙路基渗流场研究 [0086] 浸水路基是一种较为特殊的路基类型，该类路基长时间被水淹没浸泡，极易在水流渗透侵蚀、填料强度软化等因素的作用下，发生失稳、崩塌等事故。雨季时该线部分地段单侧积水形成了水塘、水沟，需按季节性浸水路基处理。 [0087] 2.1降雨入渗条件下风积沙路基渗流场分析 [0088] 该线地处半干旱地区，年平均降水量较小但多集中于夏季，暴雨或强降雨等异常天气偶有发生，再加上部分地段地势低洼，降水容易聚集，排水条件较差，雨季期间往往会形成洼地、池塘等地形。受降雨与地形的共同影响，路基两侧水位发生变化，形成了季节性浸水路基。为研究降雨入渗对风积沙路基的影响，采用非饱和渗流本构与连续降雨模式进行分析，其中降雨强度最高为1.875mm/h。 [0089] 降雨期间，风积沙路基渗流场分布如图3，图4所示。随着降雨的进行，雨水逐渐渗入土体，坡体内部孔隙水压力与饱和度变化较大，整体呈“C”字型，根据土体的状态可以划分为三个区域：最外层为饱和区，该区域存在于边坡浅层部位，土体内部孔隙已被雨水填满，基质吸力完全消失；然后是较厚的非饱和区，该区域存在于边坡深层土体，在顶部降雨非饱和渗流与底部地下水位上涨的同时作用下，其孔隙水压力与饱和度沿深度方向呈先减小后增大的趋势；最底层为靠近地下水位的临水区，该区域存在于边坡底部土层，在非饱和土的毛细作用下，水分会不断渗透扩散至边坡深处非饱和区。根据上述分析，降雨对渗入边坡浅层区域土体影响最大。 [0090] 降雨期间，雨水会逐渐汇集在坡脚附近区域，一方面坡体表面残余水分会在重力作用下沿着边坡向坡脚移动，另一方面坡体内部残余水分则会沿着土体孔隙汇入地下水，使得路基底部地下水位上涨。坡脚水分的骤然增长以及地势低洼引起的排水困难，在两种因素的共同作用下，风积沙路基最终积水形成季节性浸水路基。 [0091] 与常见双侧浸水情况不同，该线风积沙路基单侧积水形成水塘、水沟，其中浸水侧水位位于地上2.5m处，另一侧水位位于地下1m处，两侧水位存在较大的高差，其内部会形成稳定渗流。单侧浸水状态的水流渗出段采用DOF(drainage‑only flow)边界进行模拟，该边界条件仅在孔压大于0时，允许水流的排出，此时水流流速与孔压成正比，而当孔压小于0时，流速则固定为0，水流无法通过此边界进入内部。 [0092] 单侧浸水状态下风积沙路基渗流场分布如图5，图6所示。土体孔隙水压力与饱和度均呈现出“左高右低”的分布趋势，浸润面呈倾斜平面状与右侧坡脚直接相交，水流经左侧渗入后从右侧坡脚及坡脚外土层顶面渗出，其中浸润面以下土体均已达到饱和状态。水位的变化随之带来的是水流的渗入与渗出，此过程中必然会使得边坡出现薄弱点，产生滑动的趋势，最终诱发失稳破坏。 [0093] 3.不同浸水高度下风积沙路基变形特性研究 [0094] 3.1不同浸水高度下风积沙路基位移场分析 [0095] 根据上文分析，当风积沙路基两侧水位存在较大的高差时，其内部会形成渗流危害边坡安全。为探究浸水高度对风积沙路基变形特性的影响，设置左侧水位为地上0.5m、1.5m、2.5m、3.5m四组工况，分别对应水位高差1.5m、2.5m、3.5m、4.5m的情况，并与无浸水工况(浸水高度‑1m，水位高差0m)进行对比，以此模拟不同浸水高度的影响，分别绘制出不同浸水高度下路基中心线、路基顶面、地基表面的位移变化曲线，如图7～11所示。 [0096] 由图7可知，单侧浸水条件下风积沙路基中心线顶部的竖向位移最大，沿中心线方向向下，深度越大竖向位移越小。以浸水高度从低到高的顺序进行排列，路基中心线处最大竖向位移分别为80.53mm、78.05mm、77.09mm、75.82mm、74.73mm，其中浸水高度3.5m时竖向位移最小，此时水位高差为4.5m，分析原因认为：土体作为一种多孔介质，其变形主要来自于孔隙内部的变化，随着浸水高度的增长，路基中饱和土体占比也会增加，水分会产生方向竖直向上的水浮力，代替土体孔隙中原本存在的空气去抵抗外部荷载的作用，减小固体骨架的压缩，从而降低竖向变形。 [0097] 取基床底层表面、基床以下路堤表面为分界线，计算出路基中心线各部位竖向变形大小，见表2。可以看出基床以下路堤的竖向变形值为12.8～13.2mm，而基床底层与基床表层的竖向变形值分别在1.84～1.86mm与0.54～0.56mm范围内，不同部位间的变形相差明显，但相同部位间变形相差不大，说明单侧浸水条件下风积沙路基的竖向变形主要发生在基床以下路堤部位，且浸水渗流对路基中心线各部位竖向变形影响不大，整体变化幅度较小。 [0098] 表2不同浸水高度下路基中心线各部位竖向变形值 [0099] [0100] 由图8～图11所知，不同浸水条件下风积沙路基各部位的竖向位移曲线均呈中间低、两端高的“凹”形，中心线处位移最大，坡面处位移最小，观察发现在逐步提升浸水高度的过程中，竖向位移呈逐渐减小的趋势，与路基中心线竖向位移曲线变化趋势一致。 [0101] 路基顶面水平位移最大值位于左侧坡面处，以浸水高度从低到高的顺序进行排列，分别为4.53mm、4.67mm、4.98mm、5.34mm、5.66mm，当浸水高度从‑1m变化至3.5m时，路基顶面最大水平位移提升了24.94％。地基表面水平位移最大值位于右侧距路基中心线10.5m处，分别为5.11mm、5.29mm、5.66mm、6.14mm、6.64mm，当浸水高度从‑1m变化至3.5m时，地基表面最大水平位移提升了29.94％。与竖直位移变化程度相比，水平位移的变化幅度更为明显，浸水高度的提升主要对风积沙路基的水平位移产生影响，分析原因认为：单侧浸水条件下的渗流场分析可知，水流经左侧渗入后会从右侧坡脚及坡脚外土层顶面渗出，路基内部存在的从左至右的渗流作用会带动其内部土体产生相同方向的位移趋势，使得路基水平位移增大，而浸水高度的提升则进一步加大了渗流作用的影响范围与影响程度。 [0102] 3.2不同浸水高度下风积沙路基稳定性分析 [0103] 在降雨及周边地势的影响下，季节性浸水路基可能存在单侧浸水状态，土体内部会形成稳定渗流。为探寻不同浸水高度对风积沙路基稳定性的影响，首先固定路基右侧地下水位高度为地下1m处，依次抬高左侧浸水高度，然后固定路基左侧地下水位高度为地下1m处，依次抬高右侧浸水高度，均以路基右侧滑移面稳定性为观测基准，得到不同浸水高度下风积沙路基安全系数如图12所示。 [0104] 当风积沙路基浸水高度为‑1m，两侧不存在渗流情况时，其安全系数为1.751。随着左侧浸水高度的抬升，风积沙路基稳定性呈下降趋势，当浸水高度从‑1m变化至4m时，即水位高差从0m增长至5m时，安全系数为1.513下降了13.59％，自左向右的渗流作用加大了右侧滑移面的滑动趋势；随着右侧浸水高度的抬升，风积沙路基稳定性呈先减小后增加的趋势，当浸水高度达到‑3m时，安全系数最小为1.553下降了11.30％，随后由于浸水范围的增大，自右向左的渗流作用减小了右侧滑移面的滑动趋势，使得安全系数出现了上升的趋势。在一侧水位固定，另一侧水位逐渐抬高的工况下，右侧路基边坡的薄弱点分别出现在左侧浸水高度4m、右侧浸水高度2m两种情况。 [0105] 3.得出重荷条件下浸水风积沙路基边变形的结论 [0106] 研究以浸水、降雨因素作为切入点，运用有限元软件ABAQUS建立重载铁路风积沙路基仿真模型，通过渗流场、位移场、安全系数场等关键评价依据，综合分析了重荷条件下浸水风积沙路基的变形特性。主要研究结论如下： [0107] (1)降雨条件下的风积沙路基渗流场整体呈“C”字型，可以被划分为浅层饱和区、深层非饱和区以及底层临水区。降雨期间，雨水会在重力作用下汇集于坡脚附近区域，坡脚水分的骤然增长以及地势低洼引起的排水困难，在两种因素的共同作用下，风积沙路基最终积水形成季节性浸水路基。 [0108] (2)单侧浸水状态下风积沙路基渗流场呈现出“左高右低”的分布趋势。浸水高度的增加主要对风积沙路基的水平位移产生影响，当两侧水位高差从0m逐渐增大至4.5m时，路基顶面水平位移最多提升了24.94％，地基表面水平位移最多提升了29.94％。 [0109] (3)在一侧水位固定，另一侧水位逐渐抬高的工况下，右侧路基边坡的薄弱点分别出现在左侧浸水高度4m、右侧浸水高度2m两种情况。 |
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