基于能量交换原理的土体结构动力分析

基于能量交换原理的土体结构动力分析

车轮磨损是云南省常见的道路疾病类型和环境问题。在公路施工期,暴雨冲刷坡面常常造成大量水土流失,并影响生态环境。对既有公路,由于坡面冲刷,有的边坡防护工程部分或完全失效,这不仅直接增加养护维修费用,从坡面冲刷下来的大量土物还会影响运营、增加清方量、堵塞排水沟、恶化生态环境、造成水土流失等不良后果,并使边坡后退和变陡,进一步发展,还会导致路基边坡崩塌和滑坡。1水流作用的作用在坡面冲刷过程中,土颗粒除了本身的重力和粒间黏结力外,在水流作用下会受到浮力、拖曳力FD、上举力FL、渗透压力Fs,在运动过程中还会受到粒间离散力p、摩擦阻力等力的作用。在这些力的共同作用下,坡面表层的土颗粒表现为失稳起动、运移、沉积。1.1土壤浮容重ww′=(γs-γ)πD36(1)式中:γs为土颗粒容重;γ为水的容重;D为土的粒径。1.2土颗粒背水面压力拖曳力和上举力为液相水流对固相颗粒的作用力。水流和土颗粒表面接触时将产生摩擦力F1,当坡面流雷诺数稍大时,颗粒顶部流线将发生分离,并在土颗粒背水面产生涡辊,从而在土颗粒前后产生压力差,形成形状阻力F2。F1和F2的合力为拖曳力FD。在坡面冲刷过程中,土颗粒顶部的流速显著大于底部土颗粒间渗透水流的流速,根据伯努力原理,将产生压力差和与空气动力上升力类似的上举力FL。FD=CDπD24ρu022(2)FL=CLπD24ρu022(3)式中:CD为阻力系数;CL为上举力系数;ρ为水的密度;u0为颗粒表面水流速度。1.3坡面流入渗压力当坡面表层渗透条件较好、入渗率较大时,坡面流入渗会产生与入渗方向一致的渗透压力Fs:Fs=γJsπD36式中:Js为土中渗透水流的水力坡度;其他符号意义同上。1.4土壤颗粒的作用粒间黏接力为固相颗粒之间的力,表现为颗粒间具有亲和力,是土颗粒的吸附作用、薄膜水不传递静水压力、颗粒的电化学作用和水的化学作用等综合作用的结果。1.5种方法所产生的作用当大量颗粒产生推移运动时,这些颗粒有的刚起动,速度还很小,有的则已从水流中获得较大动能,以较快速度运动,运动方向也不完全相同。这样,它们在运动过程中便不可避免地相互碰撞,由此发生能量交换,从而产生一定的作用力。粒间离散力可由动量原理来推求。2土颗粒击穿试验设路基边坡坡度为θ,水流与坡面水平轴成α角度,见图1。发生冲刷的条件可用坡面上土颗粒的起动条件表示为:F(w′+Fs)cosθ-FL=f=tanϕ(4)式中,F=√(FDsinα+(w′+Fs)sinθ)2+F2Dcos2α式中:f,tanϕ定义为土颗粒起动摩擦系数。平面上发生冲刷的条件可表示为:FD=f(w′-FL+Fs)用τ和τ′分别表示平面上和坡面上土的起动条件,可得:τ′cτc={(1+CLCDtanϕ)(cos2θ-sin2θcot2ϕ)}⋅{(FLFDcosθ+sinθsinαcot2ϕ)+cotϕ[cos2θ-sin2θcot2ϕ+(FLFD)sin2θ+2FLFDsinθcosθsinα+sin2θsin2αcot2ϕ]1/2}-1(5)考虑两种特殊情况,也是最常见的情况,对式(5)进行简化。(1)α=90°,即水流沿坡面向下流动,相当于面蚀和冲刷沟槽底部的冲刷,此时:(2)α=0°,相当于沟槽两侧的冲刷和掏蚀,此时:τ′cτc=(cot2θ-cot2ϕ)(cotϕ+CLCD)sinθCLCDcotθ+cotϕ√cot2θ-cot2ϕ+(CLCD)2(7)3土颗粒粒径与发生冲刷临界拖两种关系以云南蒙新高速公路亚黏土和灰岩路堑坡面的条件为例。当坡面流与坡面水平轴的夹角α=90°时,即冲蚀沟槽底部的冲刷;颗粒容重γs=2.65×104N/m3;水容重γ=1.0×104N/m3;f(U*Dν)取0.045;根据现场调查和实验,ϕ取57°;渗透力不计。可得到土颗粒粒径与发生冲刷的临界拖曳力的关系如图2所示,坡度与发生冲刷的临界拖曳力的关系如图3所示。从图中可以看出临界拖曳力与边坡土颗粒的粒径成正比,与边坡坡度成反比,通过对土颗粒和坡度的综合分析采取相应的边坡防护措施,如对亚粘性土质边坡进行绿化,