降雨入渗对故宫城墙稳定性的影响

发布时间：2024-03-13 18:28

　　故宫城墙是由内芯土和外包砖砌体组成,是具有代表性的中国古城墙。降雨入渗是影响城墙稳定性,导致城墙外包砌体开裂和失稳坍塌的直接原因。为研究降雨入渗对城墙稳定性的影响,以故宫城墙为研究对象,采用ABAQUS软件建立其非线性有限元分析模型;通过考虑墙体材料的渗透系数、吸湿曲线和初始孔隙率,模拟8种不同降雨历时和降雨强度工况,对城墙外包砌体的位移、应力和应变沿路径的变化曲线进行对比分析;利用位移量判断滑动面的位置和趋势,采用强度折减法得到城墙的最小安全系数,从而分析城墙的力学性能和稳定性,为故宫城墙的安全评估和保护修缮提供依据。分析结果表明:降雨作用下,故宫城墙外包砌体两侧外边缘沿高度中部4～8 m处、两侧底部0～1 m处和顶部沿轴向左右偏离1.5～2.5 m处的塑性应变和位移值较大,属于危险区域,应予以加固;降雨强度相同时,城墙水平位移随降雨时间的增长而增大;降雨历时相同时,城墙水平位移随降雨强度的增大而增大;相同降雨量下,短时强降雨容易因为排水不畅而导致内芯土吸水膨胀变形增大,从而造成城墙失稳破坏,城墙的安全系数更低。

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【部分图文】：

图1故宫城墙截面特征示意

故宫城墙由外包砖砌体和内芯夯土两部分组成。外砌体由砖和灰浆砌筑而成，砖逐层向内微收叠砌，内外侧厚度均为1.2～1.3m;灰浆主要成分为生石灰、原土、糯米汁和桐油，宽10～20mm，黏结牢固。内芯土主要由粉质黏土素填土分层夯填而成，每层夯土的平均厚度约为10cm，层间界面规整....

图2基于ABAQUS的故宫城墙三维有限元模型

采用ABAQUS软件建立故宫城墙的三维有限元模型，如图2所示，分析过程中包括自然工况和降雨工况两种。其中自然工况为未降雨时土体孔隙水压力较小的工况，而降雨工况为降雨开始后土体孔隙水压力较大的工况。在自然工况下采用求解速度较快的C3D8R三维八节点减缩积分单元进行模拟，而在降雨工况....

图3渗透系数随饱和度的变化曲线

土体材料的渗透系数随饱和度的变化、饱和度与基质吸力之间的关系曲线分别如图3、4所示。外包砌体的渗透系数取1.0×10-10m/s、孔隙率取0.1。而孔隙水压力为-1000Pa和0时所对应的饱和度分别为0.1和1.0。1.4安全系数计算方法

图4吸湿曲线

强度折减有限元法是应用有限元分析土坡稳定性的有效方法，不仅可以计算土坡稳定的安全系数，而且可以根据土坡内形成的剪切带，确定土坡的潜在滑移面。通过折减土体的黏聚力和内摩擦角，使土体达到破坏的临界状态，当出现连续的滑动面后，土体将失稳，定义此时的折减系数为土体稳定安全系数。折减后土体....

本文编号：3927394