Slide2:加筋土结构破坏的极限平衡分析

2021-06-16 12:04:48 10

  2015年3月12日,刚建成8年的位于西弗吉尼亚州查尔斯顿的耶格尔机场5号跑道末端发生了一起73米高的加筋土结构(RSS)的灾难性破坏。工程师们来进行破坏后调查从而找出出现破坏的原因,但目的不仅是找到破坏的原因,更多的是想确定是否可以用原设计方案、失效前分析和失效后收集的样本来准确预测失效。

 

RSS的构造

       为了符合联邦航空管理局的最新设计要求,耶格尔机场的5号跑道需要延长大约160m。由于机场的地形和高海拔,需要用RSS法来延长跑道。此项目于2005年8月开工,2006年12月竣工。

       取自建筑区域的29个钻孔有8个是在东北区域的,东北区域聚集着填充材料。在建造前,我们用极限平衡法来分析RSS的设计。

       在施工过程中,RSS下部1 / 3处的垂直间距为46 cm,高于此处的垂直间距增大到91cm。加筋板长度为8m ~ 53m,长坡高比为0.70以上,选用两种编织聚酯土工格栅Mirafi 10XT和20XT。


采用了三类填充材料:

1、选择充填-砂岩(最大粒径0.15m),用于减轻安装破坏。

2、一般充填-主要是纯净的砂石岩。在坡面附近加入粘土,为坡面植被生长提供介质。

3、保留填充-在RSS的外围,大部分是卵石和卵石大小的砂岩。

 

RSS失稳

       从2006年完工后到2013年,这里并没有任何明显的变化,仅在RSS底部附近发生了轻微的地表塌陷。坍落被确定在外部的岩石-粘土混合物中,但这并没有明显改变斜坡的几何形状,在RSS区域的下部还观察到一条张拉裂缝,这表明滑动面正在发育。由于边坡的发展,初步调查后来扩大了,截至到2015年,为了获取土壤和岩石样本,并安装压力计和倾斜仪,进行了钻孔。

       到2015年2月,RSS的最大沉降量达到了23cm,并且还在继续发展和增加。3月10日,工程师们来到现场进行调查。在他们到达一星期前,在坡顶后面28米处形成了一个陡坡,到10日,陡坡宽约1.8米。在这段时间也有一段强降雨,地表水通过陡坡前部流入RSS,边坡底部出现3.7m的地表塌陷。2015年3月12日,RSS失稳了。从破坏体中收集样本进行分析,移除剩余结构以稳定边坡,进行进一步研究。

 

极限平衡分析

       在发生故障后,进行了2维的极限平衡分析,以评估RSS在2006年和2015年发生失稳时的稳定性。

        分析所需的信息是根据施工时的初始数据和对从失稳中收集的样品进行的测试确定的。用于分析的参数如表1所示。

 

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Table 1


       值得注意的是,由于RSS填充材料的非线性破坏包络线,剪切强度使用双参数幂函数表示。土工合成钢筋的抗拉极限强度为117.8 kN/m。拉拔强度是基于0.8的相互作用系数和粗摩擦角为41度的选择填充材料。

在Slide2中使用Spencer法和非圆形滑动面进行分析,并将结果从UTEXAS 方法结果进行比较。

 

原位分析

       在该分析中,充填-岩石界面作为下垫岩体的一部分,使用表1中列出的未扰动岩石特性进行建模。临界非圆形破坏面穿过RSS基底附近的多个加固层,其安全系数(FOS)为2.14。如果对填岩界面材料采用扰动假设,则FOS为1.77。由分析可知,整体最小滑移面在加筋区域之外。整体分析结果表明,该边坡在施工后具有足够的稳定性。


失稳发生时的分析

      破坏后的调查显示,位于充填岩石界面的材料发现有滑体,这表明一些区域可能已经达到残余状态。使用完全软化的抗剪强度包络线作为材料强度的起点,计算出0.8作为RSS后临界滑动面的安全系数(FOS)。该表面在图1中指定为表面1,与2013年观测到的张拉裂缝位置相对应。

      1:各种分析假设的关键滑移表面。

      利用多个非线性破坏包络线进行反分析,以确定填石抗剪强度参数,产生的FOS为1。图1概述了这些计算的结果。在Slide2中计算的FOS为1。

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图1:FSS和反计算抗剪强度围护结构。

 

       即使表面的位置1和在2013年发现的张拉裂缝的位置吻合,实际的失效发生在28米的波峰头部,这意味着失效的表面通过RSS的上层表面(2)如图1所示。

       计算出的临界滑移面和观测到的滑移面之间的差异可能有多种原因造成:填充填料的特性、加固力的分布或局部应力-应变关系都可能是因素。

如果填料的抗剪强度提高10-20%,则面2的FOS值应高于面1。随着边坡变形时间的推移,局部应力集中发展,产生不均匀的拉力。随着填石区退化,更多的应力施加在Mirafi 20XT土工格栅上。这是观察到的,因为有显著的张力在上部加强区域后的破坏。

 

批判性思维

       耶格尔机场是边坡破坏的一个例子,各种不同的因素在起作用,即使经过广泛的数值分析,关于破坏的不确定性仍然存在。失效后分析强调了在为将来的设计目的进行这些分析时,考虑这些变量是多么重要。

       极限平衡法的使用可以为工程师的工程提供有价值的见解。我们希望,了解过去类似的案例研究将有助于工程师在他们的项目中导向未来的安全设计。

       

        如果您想要亲自使用Slide2做一些分析,您可以免费试用两周。请联系我们:

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