汽車荷載對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響

汽車荷載對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響

在分析滑動(dòng)道路通過(guò)的滑動(dòng)穩(wěn)定性時(shí)，傾向于車輛通過(guò)的滑動(dòng)區(qū)域較短，負(fù)荷量值相對(duì)較小，并且對(duì)滑動(dòng)穩(wěn)定性的影響機(jī)制和范圍尚不清楚。因此，在分析滑動(dòng)穩(wěn)定性時(shí)，不考慮車輛負(fù)荷。對(duì)于公路從滑坡抗滑區(qū)段通過(guò),或者滑體深厚,汽車荷載同滑體自重相比可以忽略的情況,這種處理方式是合適和安全的。與此相反,當(dāng)滑體較薄,汽車荷載量值相對(duì)較大,公路從滑坡下滑區(qū)段通過(guò)的滑坡,汽車荷載以及汽車沖擊力對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響會(huì)變得突出,如不予考慮,結(jié)果即為人為提高了滑坡穩(wěn)定性系數(shù),是偏不安全的。1汽車載荷的性能特點(diǎn)和價(jià)值1.1自由度統(tǒng)一控制系統(tǒng)汽車同公路的相互作用,是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。汽車本身是一個(gè)復(fù)雜的多自由度的振動(dòng)系統(tǒng),通常簡(jiǎn)化為圖1所示四自由度系統(tǒng)。另外,汽車行駛時(shí)速度范圍大,輪胎阻尼隨機(jī)性強(qiáng),路面不平整情況復(fù)雜等都對(duì)汽車荷載及沖擊力有影響,荷載大小,空間分布均具有隨機(jī)性,準(zhǔn)確確定動(dòng)力荷載量值非常繁瑣和困難,根據(jù)蒯行成等實(shí)測(cè)結(jié)果,見(jiàn)圖2、3。1.2汽車荷載隨轉(zhuǎn)速、路面不平整度的隨機(jī)性分目前,在公路路面結(jié)構(gòu)及橋梁等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,通常采用以下三種方法處理:1)動(dòng)力荷載:通過(guò)建立車輛振動(dòng)模型,計(jì)算得到車輛附加動(dòng)荷載,然后利用動(dòng)荷載系數(shù)將動(dòng)荷載的影響反映到路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或路面使用性能評(píng)估中。2)移動(dòng)恒載:即把車輛荷載簡(jiǎn)化為沿行駛方向移動(dòng)的常荷載,其大小等于車輛的自重。這種荷載形式在目前的地面結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型中較為多見(jiàn),常見(jiàn)的有移動(dòng)點(diǎn)源荷載、線源移動(dòng)荷載和圓形均布移動(dòng)荷載等。目前鐵路和公路橋梁汽車荷載計(jì)算均采用的這種處理方式,相應(yīng)沖擊力以沖擊系數(shù)表征。3)移動(dòng)隨機(jī)荷載:由于路面不平整是一個(gè)典型的隨機(jī)過(guò)程,所以車輛作用于路面的附加動(dòng)荷載也具有隨機(jī)性。車輛荷載不僅是大小變化的而且在空間分布上具有瞬態(tài)特征,另外由于路面不平整是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程,所以車輛荷載還具有隨機(jī)性。對(duì)于汽車動(dòng)力荷載的以上三種處理方式,由于汽車動(dòng)力荷載的影響因素中有眾多的隨機(jī)性,單用前兩種荷載形式描述車輛荷載在理論上是不完整的。但對(duì)于第三種形式,更接近于真實(shí)的車輛荷載,但卻增加了問(wèn)題的復(fù)雜性。在工程中,可根據(jù)工程特點(diǎn)以及研究精度要求靈活選用以上各種處理方式。動(dòng)力荷載的量值大小是隨機(jī)變化的,根據(jù)周華飛等研究,將公路路面的不平整度以正弦函數(shù)來(lái)表征,研究了汽車動(dòng)荷載隨路面不平整度、以及汽車行駛速度的變化規(guī)律,見(jiàn)圖4、圖5。由以上可見(jiàn),盡管動(dòng)荷載系數(shù)(沖擊系數(shù))隨車速、路面波長(zhǎng)(不平整度)有所變化,但其量值始終處于0.1～0.4之間;這與路面設(shè)計(jì)時(shí)所取的瞬態(tài)附加動(dòng)荷載系數(shù)基本符合。結(jié)合我國(guó),美、日、德、法、印各國(guó)對(duì)沖擊系數(shù)的界定,最大沖擊系數(shù)位于0.3～0.4之間。其研究目的在于分析汽車動(dòng)力荷載同靜力共同作用時(shí)的滑坡穩(wěn)定性,汽車動(dòng)力荷載帶來(lái)的影響為瞬時(shí)穩(wěn)定性問(wèn)題,作用時(shí)間短,呈不規(guī)則的周期性作用,加之邊坡穩(wěn)定性分析方法本身精度問(wèn)題,所以,在汽車動(dòng)力荷載精度上可以避免路面設(shè)計(jì)動(dòng)力荷載處理方法,以及橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析時(shí)處理動(dòng)荷載的復(fù)雜方法,如前述動(dòng)力荷載方法、移動(dòng)隨機(jī)荷載方法等。而可以移動(dòng)恒載,并考慮適當(dāng)?shù)臎_擊系數(shù)來(lái)處理,即計(jì)及車輛的自重,也考慮動(dòng)力效應(yīng)引起的附加動(dòng)荷載,這個(gè)附加動(dòng)荷載的沖擊系數(shù)介于0.1～0.4之間。1.3汽車動(dòng)荷載表達(dá)由前述分析,汽車荷載包括車輛自重和汽車動(dòng)力荷載;前者以移動(dòng)恒載表示,后者以沖擊系數(shù)量化。以汽車-20級(jí)荷載為例,見(jiàn)圖6。一般而言公路通過(guò)滑坡區(qū)段長(zhǎng)度至少足夠布置車隊(duì)中一輛重車和一輛標(biāo)準(zhǔn)車,則汽車移動(dòng)恒載:Ρ=[(300+200)+n×200]×ml×B(1)P=[(300+200)+n×200]×ml×B(1)式中:P為汽車移動(dòng)恒載,kPa;n為除基本重車及一輛標(biāo)準(zhǔn)車外,還可以布置的標(biāo)準(zhǔn)車數(shù)n=(l-19.4)÷19,19.4m為一輛標(biāo)準(zhǔn)車和重車的分布區(qū)間長(zhǎng)度,19m為每增加布置一輛標(biāo)準(zhǔn)車所需的間距;B為路幅寬度,m;m為車道數(shù);l為公路通過(guò)滑坡區(qū)段長(zhǎng)度,m。一般雙車道路幅寬度為8m,四車道公路路幅寬度為18m,六車道高速公路路幅寬度25m,則一般而言,汽車荷載集度小于6.41kPa(公路通過(guò)滑坡段長(zhǎng)度剛好擺下一輛重車和一輛標(biāo)準(zhǔn)車),大于2.34kPa(公路通過(guò)滑坡區(qū)段長(zhǎng)度為2000m),當(dāng)然,兩種比較極端的情況都比較少見(jiàn),多數(shù)公路通過(guò)滑坡區(qū)段長(zhǎng)度在數(shù)百米范圍內(nèi),相應(yīng)的汽車荷載集度在4kPa左右。汽車動(dòng)荷載可表達(dá)為:ΔΡ=μΡ(2)ΔP=μP(2)式中:ΔP為汽車動(dòng)力荷載,kPa;μ為沖擊系數(shù);其它同上。2汽車荷載對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響國(guó)道319線馮家至濯水段滑坡病害極其發(fā)育,僅該段就發(fā)育有四處中小型滑坡,其共有的特點(diǎn)即為公路從滑坡體上通過(guò),路基沉降、邊坡變形嚴(yán)重。本文以馮石雞村滑坡為例,運(yùn)用工程界目前常用的分析方法[9,10,11,12,13,14,15,16],如瑞典圓弧滑動(dòng)法、傳遞系數(shù)法、簡(jiǎn)化Bishop法、Janbu法等進(jìn)行穩(wěn)定性分析,僅以天然工況對(duì)比一般算法、考慮汽車荷載算法、考慮汽車沖擊荷載算法之間滑坡穩(wěn)定性差別,探討公路汽車荷載對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。基本參數(shù):該滑坡長(zhǎng)23m,寬35m,滑體平均厚度4.9m,總體積約40003m3,為小型滑坡。319國(guó)道從其中上部通過(guò),滑體土重度19.6kN/m3,滑動(dòng)面近圓弧形,滑帶土參數(shù)c=7.2kPa,φ=9.1°;代表性剖面見(jiàn)圖7。按式(1)折算汽車荷載集度為4.5kPa,相應(yīng)沖擊系數(shù)μ取0.1～0.4。以Fs1表征傳統(tǒng)算法穩(wěn)定性系數(shù)(不考慮汽車荷載),Fs2為考慮汽車移動(dòng)恒載時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)(μ=0,不考慮動(dòng)荷載),Fs3為μ=0.1時(shí)穩(wěn)定性系數(shù),Fs4為μ=0.2時(shí)穩(wěn)定性系數(shù),Fs5為μ=0.3時(shí)穩(wěn)定性系數(shù),Fs6為μ=0.4時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)。穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。從表1結(jié)果可見(jiàn),對(duì)于這種淺層滑坡,公路從滑體上通過(guò)時(shí)不考慮汽車荷載同考慮汽車移動(dòng)恒載時(shí)相比,穩(wěn)定性系數(shù)要高4.3%～11%;同時(shí)考慮汽車動(dòng)荷載時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)要高5.8%～12.1%,即不考慮汽車移動(dòng)恒載、汽車動(dòng)力荷載的影響會(huì)人為提高滑坡的穩(wěn)定性系數(shù),且量值較大,偏于危險(xiǎn)。尤其是處于臨界狀態(tài)附近時(shí),直接涉及到治理如否的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。在目前的滑坡防治工程分析中,汽車移動(dòng)恒載、汽車動(dòng)力荷載均沒(méi)有被考慮,需要引起重視。3滑面強(qiáng)度驗(yàn)算清泉路(袁家蹬)滑坡位于萬(wàn)州城區(qū)中部東側(cè)的長(zhǎng)江左岸山坡地帶,屬于吊巖坪滑坡群一部分。清泉路滑坡外形似梨形,公路通過(guò)滑體平均寬270m,縱向平均長(zhǎng)度390m,其中3-3剖面(圖8)上級(jí)滑坡前緣標(biāo)高163m,后緣標(biāo)高201.89m,滑體平均厚度15m,體積約81萬(wàn)m3。該公路為規(guī)劃城市次干道,四車道,公路通過(guò)處滑體厚度12.5m?；鏋椴灰?guī)則折線形,滑體土天然重度為20.3kN/m3,天然狀態(tài)抗剪強(qiáng)度殘值c=15kPa,φ=11°?；峦ㄟ^(guò)區(qū)段折算汽車荷載強(qiáng)度為2.6kPa,相應(yīng)沖擊系數(shù)取0.1～0.4。由于滑面不規(guī)則,以傳遞系數(shù)發(fā)和Janbu法驗(yàn)算天然工況下汽車荷載對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表2對(duì)比結(jié)果可見(jiàn),不管是采用何種穩(wěn)定性分析方法,考慮汽車移動(dòng)恒載、汽車沖擊荷載時(shí)的穩(wěn)定性降低幅度均不超過(guò)1%,同分析方法本身的精度相比完全可以忽略。即對(duì)于滑體厚度較大的情況(中層滑坡以上),完全可以不考慮汽車移動(dòng)恒載及其動(dòng)荷載效應(yīng),對(duì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)影響不大,當(dāng)前工程界不考慮其影響是可以接受的。4汽車荷載影響因素通過(guò)汽車荷載、汽車動(dòng)力荷載的量值分析,并通過(guò)兩個(gè)滑坡穩(wěn)定分析算例,可以得到以下結(jié)論:1)公路從滑坡體通過(guò)時(shí),其相應(yīng)的擬靜力移動(dòng)恒載強(qiáng)度介于2.34～6.41kPa之間,一般可取4kPa;若考慮汽車動(dòng)力荷載,其沖擊系數(shù)可取0.1～0.4。2)公路從滑體中上部下滑段通過(guò)時(shí),對(duì)于淺層滑坡必須考慮汽車移動(dòng)恒載、汽車動(dòng)力荷載對(duì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的影響,當(dāng)前一概不考慮汽車荷載的影響有欠合理。對(duì)于中厚層滑坡穩(wěn)定性分析汽車荷載影響微弱,可以不予考慮;對(duì)于公路從滑體中下部抗滑段通過(guò)時(shí)汽車荷載為有利效應(yīng),當(dāng)前工程界的處理方式是合理的。3)分析汽車移動(dòng)恒載、汽車動(dòng)力荷載的處理基于擬靜力法,汽車荷載通過(guò)豎向加載效應(yīng)影響滑坡穩(wěn)定性