宜昌市猇亭区膨胀土引发边坡地质问题的分析与研究

宜昌猇亭区膨胀土分布于长江左岸高级阶地之上,属中等膨胀潜势粘土,天然状态下土体强度高,但遇水后产生膨胀变形,土体结构被破坏,强度急剧衰减,土体变形时产生较大的膨胀力。该地区膨胀土滑坡一般具有牵引式滑动、滑面平缓、多次滑动及季节性等特点。膨胀土滑坡的成因分为内因和外因两个方面,其发生的机理为膨胀土体内部因风化营力、胀缩变形及边坡卸荷等作用而形成网状裂隙,裂隙面在水的作用下形成软弱结构面并逐步贯通,在坡体自重、水压力、膨胀力等因素共同作用下形成滑坡。膨胀土边坡的稳定性评价应通过典型地质剖面进行抗剪强度参数反演,膨胀土边坡的治理措施主要通过截排水、支挡、清方等方式综合治理。     

基于物质点法的土体流动大变形过程数值模拟

土体滑坡作为一种自然地质灾害,受自然因素和人类活动的影响在我国时有发生,给周围居民的生命和财产安全带来了很大威胁,日益受到人们的广泛关注。滑坡防治也逐渐成为工程研究的热点之一。土体本质上是一种具有复杂组成结构的颗粒材料堆积体,通过对颗粒流动的模拟可以深入理解自然界中的土体流动现象,如滑坡、泥石流等,进而预测灾害破坏范围及改进相应工程防护措施。但由于土体流动是一个涉及大变形及大位移的复杂流动过程,传统的基于网格的有限元法（FEM）由于网格畸变,并不适合这类问题的研究。本文采用物质点法（MPM）模拟土体流动大变形问题。作为一种源于particle-in-cell（PIC）法的无网格法,兼具欧拉法和拉格朗日法的优点,因而,物质点法在处理大变形问题上具有独特的优势。目前,国内外利用物质点法模拟边坡滑动问题已有不少研究,但对相关参数进行敏感性分析的较少。本文基于物质点法模拟了黏性土体及无黏性土体流动大变形问题,并进行了参数敏感性分析,包括土体材料的内摩擦角、黏聚力、高宽比、底面坡度对土体滑动距离的影响规律。本文计算中采用Drucker-Prager（DP）弹塑性本构模型描述土的非线性特性。研究结果表明:（1）基于物质点法得到的土体的流动形态、滑动距离以及自然休止角等数值模拟结果均与文献中的实验结果基本吻合,验证了物质点法模拟土体大变形力学行为的精度及有效性;（2）随着内摩擦角、黏聚力的增大,滑动距离相应减小;（3）坡度对边坡稳定的影响是显著的,随着底面坡度的增大,滑动距离相应增大;（4）当土柱高宽比较小时,与滑动距离呈线性增长关系。其中,内摩擦角和黏聚力反映了土体的抗剪切性能,因此通过工程措施提高土体的抗剪能力可以降低土体滑坡带来的危害。研究结果为探索土体滑动破坏规律,降低滑动破坏范围提供了可靠的参考。     

南阳膨胀土渠道滑坡破坏特征与演化机制研究

为了解河南南阳地区膨胀土渠道边坡滑坡机制,基于南水北调中线工程南阳段19个滑坡的现场调研统计结果,选取南阳段TS105+400处右岸滑坡为典型实例,开挖探槽揭露滑坡内部结构,对该区膨胀土渠道滑坡的破坏特征及演化机制进行了研究。结果显示,该区滑坡多发生在 地层;边坡的稳定性受中上部土体中的垂直节理及坡脚充填强膨胀土的缓倾长大裂隙共同控制,滑动面由后缘陡倾裂隙及前缘缓倾长大裂隙组成。开挖卸荷导致垂直节理张开,垂直节理向下可延伸3 m以上,破坏边坡土体整体性,且充当水分出入边坡的主要通道;坡面以下深度4～8 m存在一个高湿度带,带内土体强度小,发育滑动面。气候造成的胀缩循环、开挖卸荷导致边坡垂直节理张开并向深部发展,对边坡土体的强度衰减作用明显,当垂直裂隙与前缘缓倾裂隙贯通后,发生强（久）降雨,裂隙充水软化,即诱发边坡失稳。     

开挖边坡中膨胀土现场抗剪强度问题

本文根据原位测试结果研究了开挖边坡中膨胀土抗剪强度的分布规律，探讨了边坡失稳破坏滑动面抗剪强度的现场测试与确定问题，最后就滑坡治理措施对膨胀土抗剪强度的影响进行了简要讨论。     

剪胀角对求解边坡稳定的安全系数的影响

分析了目前用有限元方法求解安全系数时所存在的问题,同时,对于岩土边坡采用平面应变条件下基于非关联流动法则的D-P屈服准则,充分考虑岩土的剪胀性对边坡稳定安全系数的影响,修正了对于剪胀性的传统处理方法：过大的考虑材料的剪胀性的特点（ ）和完全不考虑材料的剪胀性的特点（ ）。算例结果分析表明,安全系数随剪胀角的增大而增大,在考虑剪胀性时,采用不同的屈服准则对边坡的安全系数是有很显著的影响的,误差可达30 %左右。     

岩土材料在非关联流动法则下剪胀角选取探讨

岩土材料属于摩擦型材料,其强度特性时参数指标的选取至关重要。当前对剪胀角存在模糊认识,导致在理论分析和数值模拟分析中常会产生较大误差。在分析传统的滑移线场理论的基础上,采用广义塑性理论,证明了岩土材料在非关联流动法则条件下的剪胀角应取? /2,且此时体变必为0。通过对具有精确理论解的经典Prandtl地基承载力课题的数值模拟分析,分别对关联流动法则、非关联流动法则剪胀角取? /2及非关联流动法则剪胀角取0三种情况下地基的承载力进行了计算。结果表明,上述3种情况下得到的极限荷载的误差为2 %,但滑移线场与理论解有较大差异。其中,在非关联流动法则条件下,采用剪胀角? =? /2所得到的滑移线场与Prandtl理论解一致,而采用? =0所得到的滑移线场与理论解有较大的偏差。这说明目前在非关联流动法则条件下采用? = 0虽然可得到相应的正确的极限荷载,但是相应的滑移线场具有较大的误差,同时也证明了岩土材料在非关联流动法则条件下的剪胀角应该选取? /2,而不是目前通常采用的0。     

基于有限元软件自定义本构模型的膨胀土边坡降雨入渗分析

降雨条件下,边坡土体吸水软化造成抗剪强度降低是引发边坡失稳的重要因素之一。雨水在边坡土体中的入渗过程是动态变化的,土体含水率（饱和度）也会随之发生持续变化,因此,研究土体抗剪强度在动态环境下的变化规律,对实时评价降雨工况下土体边坡的稳定性具有重要意义。文章以贵州省尖山营地区的膨胀土为研究对象,基于非饱和土强度理论,结合室内剪切试验数据分析了膨胀土的抗剪强度指标与土体含水率的关系,提出了以含水率为变量的抗剪强度公式;基于ABAQUS有限元软件平台的二次开发技术编写了USDFLD子程序,结合室内试验得出的土体抗剪强度变化规律,分析了降雨条件下土体含水率变化引起的强度衰减与土体重度变化对膨胀土边坡稳定性的影响。结果表明:随膨胀土含水率增加,土中颗粒吸水膨胀,颗粒间距缩小,矿物颗粒间的黏结作用逐渐增大,直至集合体空隙充水,吸力减小,黏结作用迅速减弱;膨胀土的抗剪强度总体呈递减趋势,其中,黏聚力先增后减,内摩擦角递减。应用ABAQUS有限元软件的二次开发技术可实现土体参数随含水率的动态变化而变化,为降雨条件下非饱和土边坡的有限元分析提供了一种新的技术手段。     

降雨入渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测

为了对降雨诱发的非饱和膨胀土边坡失稳的机理有较深入的了解,在湖北枣阳选取了一个11 m高的典型的非饱和膨胀土挖方边坡进行人工降雨模拟试验和原位综合监测。监测成果表明：降雨入渗造成2 m深度以内土层中孔隙水压力和含水量大幅度增加,致使膨胀土体的抗剪强度由于有效应力的减少及土体吸水膨胀软化而降低;同时,降雨入渗造成土体中水平应力与竖向应力比显著增加,并接近理论的极限状态应力比,以致软化的土体有可能沿着裂隙面发生局部被动破坏,此破裂面在一定条件下（如持续降雨条件下）可能会逐渐扩展,最后发展成为膨胀土中常见的渐进式滑坡。     

考虑参数旋转各向异性空间变异性的边坡大变形概率分析

为揭示土体参数旋转各向异性空间变异性对边坡大变形特征的影响规律,将土体不排水抗剪强度参数模拟为旋转各向异性随机场,提出采用多重响应面法对随机场样本进行边坡稳定性安全系数高效求解和升序排列,进而使用随机物质点法按序模拟随机场样本的边坡大变形过程.以一饱和不排水粘土边坡为例,研究了旋转各向异性随机场的旋转角度β和弱主方向自相关长度θ₂对边坡大变形特征和破坏模式的影响.结果表明：提出的基于多重响应面的随机物质点方法可以高效开展边坡大变形概率分析;β和θ₂对边坡大变形特征和破坏模式均有显著影响;边坡大变形破坏的影响距离、滑动距离和滑动体积的平均值与标准差均随θ₂的增加而增加;边坡大变形过程中可能产生4种破坏模式,其中深层滑动和渐进式滑动为该边坡模型的主要概率失稳模式.因此,提出的方法为边坡大变形概率分析提供了一条有效途径,考虑参数旋转各向异性空间变异性的边坡大变形概率分析对准确评估边坡失稳风险具有一定的理论参考意义.     

三维边坡稳定分析的有限元弹塑性迭代解法

针对已知滑动面的三维边坡稳定分析问题,在塑性力学上限定理的基础上,提出了求解安全系数的三维有限元弹塑性迭代解法。对于滑动面的非线性特性,采用常规的矩形（平面）或立方体（空间）单元来描述,应力则符合相关联流动法则的Mohr-Coulomb强度准则。通过对弹塑性增量理论中流动法则的分析,证明了当结构达到极限状态时,滑动面内切向应力的方向与滑体的主滑方向一致,说明最终以滑动面内的切向应力作为滑体滑动力的有效性。通过迭代的方式,逐步降低滑动面材料的抗剪参数,使边坡达到极限状态,不仅快速求得了滑动面的安全系数,且能够得到边坡在接近临界失稳状态时滑动面内切向应力的分布情况和边坡的变形规律,为边坡采取加固措施提供了参考依据。最后,以椭球面滑动和楔形滑动2个经典算例和工程实例,验证了该方法的有效性和正确性。     

基于损伤控制方法的大理岩非线性剪胀特性试验研究

剪胀角是描述岩石体积膨胀扩容的常用参数,在非关联流动法则中,连续介质理论通常假设剪胀角为0;在关联流动法则中,其值恒定且等于内摩擦角。岩石三轴压缩全过程体应变曲线表明,其体积剪胀性依赖于围压和塑性参量,破坏过程中不仅其特征强度随围压和塑性参量呈非线性变化,而且剪胀特性也表现出非线性特征。基于塑性力学理论,针对锦屏大理岩损伤控制的全过程三轴加、卸载试验,采用双参数非线性函数拟合方法建立了能同时考虑围压效应和塑性参量的非线性剪胀角模型。结果表明,对于大理岩、中硬岩,在破坏过程中扩容行为强烈依赖围压和岩石塑性参量,均表现出先快速增加至峰值后,随着塑性变形增加逐渐减小的非线性演化规律。提出的双参数非线性剪胀角模型很好地描述了岩石破坏过程中的体积扩容特性,其结果对于研究地下工程围岩应力变化诱发的围岩剪胀破坏机制、体积扩容膨胀区范围预测和围岩支护的合理设计均具有一定的理论和工程应用价值。     

Calculation of the Internal Forces and Numerical Simulation of the Anchor Frame Beam Strengthening Expansive Soil Slope

Anchor frame beam is an excellent method for strengthening the expansive soil cut slope. It can effectively prevent cracks and fissures of expansive soil slope from expanding. There are plentiful engineering experiences that are important for the design of anchor frame beam. However its design theory is still not uniform and there is not any code to be followed. The assumption of Winkler foundation beam and semi-infinite elastic theory are used for calculating the internal forces of the frame beams. At the meantime FLAC^3D software is used for simulating anchor frame beam strengthening expansive soil cut slope. Main parameters, such as length, range interval and angle of the anchor, are researched so as to acquire how to influence slope deformation. The internal force distributing of different length beams is analyzed. The results indicate that it is absurd to design frame beams just by expansive force. It is suggested that the internal forces of pre-cast and cast-in-place beams be calculated with Winkler foundation beam and semi-infinite elastic theory. The numerical results show that ratio of slope has an impact on the slope deformation, and that the angle and the range interval of the two neighboring anchors influence the slope deformation. The pertinent proposal for designing frame beam is offered based on an actual project so as to optimize the design.     

锚杆框架梁加固膨胀土边坡的数值模拟及优化

锚杆框架梁是加固膨胀土路堑边坡的一种方式,能够有效地抑止膨胀土边坡裂隙的扩展和发展,阻止边坡体的变形。为了研究锚杆框架梁的加固效果及其坡率对膨胀土路堑边坡的影响,采用了快速拉格朗日差分分析三维软件FLAC3D模拟锚杆框架梁加固膨胀土路堑边坡。数值分析及结果表明,坡率与膨胀土路堑边坡变形密切,锚杆框架梁参数中锚杆布设角度和间距对膨胀土边坡变形影响较大,同时对锚杆框架梁的主要参数提出相关的建议,为工程和设计优化提供了参考。     

复杂应力状态下土质高边坡稳定性分析

结合现有的实际滑坡场地,开展了关中盆地黄土塬边的高边坡稳定性研究。基于弹塑性理论和非关联流动法则,根据双剪统一强度理论,建立了双剪统一弹塑性本构模型的显式有限差分格式。针对陕西省泾阳县南塬高边坡滑坡的现场勘测和室内试验,分析了滑坡的规模和滑坡前后的地形特征。在此基础上,还原了滑坡前的边坡地形概状,建立三维计算模型并运用三维拉格朗日有限差分方法分析了中间主应力对高边坡稳定性的影响;然后考虑中间主应力的影响对不同地下水埋深和渗流时边坡的稳定性进行分析。结果表明,考虑中间主应力情况下,随着地下水位升高,坡顶水平向位移增大;当不考虑渗流时,坡顶水平位移增大到一定值后边坡达到稳定状态,而考虑渗流时坡顶水平位移持续增大,并且容易发生突然的破坏失稳。期望对泾阳南塬滑坡群的破坏机制研究提供一定参考。     

地震动加速度幅值对土坡失稳后滑坡体大小及致灾范围的影响

地震滑坡的致灾范围是判断滑坡能否会对已有建构筑物造成损失、确定预警疏散范围的重要依据,因此对地震土坡破坏后的滑坡体大小和致灾范围进行研究具有重要的意义.本研究基于SPH动力分析方法,结合弹塑性本构模型和固体力学控制方程建立了地震土坡破坏的动力分析模型;通过设置振动边界粒子和自由场边界粒子,实现了地震动加速度的施加以及自...     

非共轴本构模型在地基承载力数值计算中若干影响因素的探讨

土体在剪切变形过程中产生主应力方向的旋转时,主应变增量方向与主应力方向之间存在着非共轴现象,然而传统的弹塑性本构模型未能考虑该现象的影响。通过在屈服面的切线方向增加一项非共轴塑性应变增量,即可实现对非共轴现象的反映。采用显式积分算法和自动分步方法,将非共轴本构模型运用到桶形基础地基承载力问题的有限元计算中,并讨论了流动法则、内摩擦角、膨胀角等因素与非共轴模型的联系。计算结果表明：采用有限元程序默认容许误差时,该本构模型可达到理想的收敛精度,并且,该模型对关联、非关联流动法则均适用。采用共轴模型进行数值计算时,不同流动法则对计算结果的影响可以忽略;采用非共轴模型时,不同流动法则的计算结果之间存在差异。非共轴现象对地基承载力-位移曲线具有软化作用,并且,该软化作用在采用非关联流动法则时变得更加明显     

基于多场耦合数值分析的膨胀土边坡浅层膨胀变形破坏机制研究

膨胀土地区大量工程实践表明,发生在膨胀土边坡浅表层一定深度范围内的牵引式滑坡现象非常普遍,对于该种渐进性边坡破坏模式,传统极限平衡分析无法反映其失稳状态和破坏机制。借鉴温度场中温度膨胀系数的定义和数值处理方法,以室内无荷/有荷膨胀率试验成果为依据,对膨胀土的湿度膨胀系数进行了反演拟合,得到低荷载条件下含水率-膨胀系数近似符合线性关系。基于降雨作用下膨胀土边坡破坏的大型静力物理模型试验成果,采用FLAC非饱和二相流模型模拟降雨引起的边坡湿度场分布变化状态,引入含水率-膨胀系数的线性关系,提出一种适用于膨胀土边坡的湿度场-膨胀变形场-应力场的多场耦合数值分析方法,并藉此对物理模型试验进行仿真。结合模型试验和多场耦合数值分析,阐述膨胀土边坡浅层渐进性破坏机制的本质是水力边界条件变化引起的膨胀土膨胀变形作用。     

有荷干湿循环条件下不同膨胀土抗剪强度基本特性

针对膨胀土分布区公路边坡常浅层坍滑现状,选取南、北方3种典型膨胀土样,模拟干湿循环并计及边坡破坏时滑面的上覆压力,改变常规试样吸湿及施剪条件开展试验研究,以获得较符合实际的膨胀土抗剪强度及其衰减规律。结果表明：不同上覆压力对膨胀土抗剪强度的影响为荷载越大其强度绝对衰减率越小;用双直线能较好表征其抗剪强度线特征,强度指标c、? 宜按高、低应力段分别获取;随干湿循环次数增加,c值呈指数函数衰减,是造成边坡浅层坍滑的主要原因;? 值随作用次数增加虽有减小趋势,但降幅不大;通过控制基本相同的试验条件,实测得3种膨胀土的最终抗剪强度均降至某一幅值范围。研究结论为解读膨胀土坡为何多浅层坍滑提供了有价值的信息。     

Bearing capacity of strip and circular footings in sand using finite elements

Design of shallow foundations relies on bearing capacity values calculated using procedures that are based in part on solutions obtained using the method of characteristics, which assumes a soil following an associated flow rule. In this paper, we use the finite element method to determine the vertical bearing capacity of strip and circular footings resting on a sand layer. Analyses were performed using an elastic–perfectly plastic Mohr–Coulomb constitutive model. To investigate the effect of dilatancy angle on the footing bearing capacity, two series of analyses were performed, one using an associated flow rule and one using a non-associated flow rule. The study focuses on the values of the bearing capacity factors N_q and N_γ and of the shape factors s_q and s_γ for circular footings. Relationships for these factors that are valid for realistic pairs of friction angle and dilatancy angle values are also proposed.