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。     

非饱和膨胀土边坡稳定性分析

Bishop和Fredlund的非饱和土强度公式参数不易工程应用,文中基于双曲线的非饱和土强度公式,采用简化Bishop法建立非饱和土边坡的稳定方程,分析膨胀土边坡的稳定性,讨论了吸力、分层及其边坡表层裂隙对非饱和膨胀土边坡稳定性的影响。通过分析与比较,揭示了膨胀土边坡浅层滑坡的原因。     

考虑非饱和渗流与增湿膨胀下的膨胀土隧道稳定性分析

降雨入渗条件下,膨胀土的非饱和渗流与膨胀效应会降低隧道稳定性,研究两者对围岩变形与结构受力的影响非常必要。基于有限差分软件FLAC~(3D),根据其内置的渗流与温度场模块分别模拟降雨条件下的非饱和渗流过程与膨胀土增湿膨胀过程。通过编制相关FISH语言程序,考虑了膨胀土隧道非饱和渗流过程中基质吸力变化、土体软化和膨胀效应的影响。以某浅埋膨胀土隧道为工程背景,分析了降雨入渗时间、渗透与膨胀系数对膨胀土隧道围岩变形及支护结构受力的影响。结果表明:膨胀土隧道在降雨入渗过程中,围岩水平应力增大明显,而垂直应力变化不大;支护结构逐渐由竖向挤压变形转变为水平挤压变形;土体渗透和膨胀系数对支护结构受力影响很大,当渗透和膨胀系数增加到一定值后,衬砌弯矩显著增大,隧道安全性和稳定性大幅降低。     

降雨入渗引起非饱和土边坡破坏的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元分析

为了全面地了解降雨入渗引起的边坡失稳破坏机制,基于有限元-有限差分理论(FE-FD scheme)的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元数值分析方法被提出。程序中采用了Zhang等~([1])提出的以Bishop有效应力和饱和度作为状态变量的非饱和土弹塑性本构模型,从而可以连续地描述在降雨入渗时土体由非饱和状态转化为饱和状态过程中力学特性的变化。同时用Green-Naghdi客观应力速率张量来考虑边坡失稳过程中的大变形问题。程序不仅可以模拟由于降雨入渗引起的水分迁移、孔隙水/气压力变化的过程,而且可以很好地反映出由于降雨入渗所引起的边坡变形、塑性剪切带形成等力学行为。选取室内边坡模型试验为研究对象,用所提出的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元程序来进行数值模拟,并与试验结果对比,验证了所提出的有限元数值方法的有用性。     

裂隙性膨胀土饱和-非饱和渗流分析

降雨入渗条件下的裂隙性膨胀土边坡稳定性与其渗流场分布密切相关,对渗流分析中的积水深度进行了数值模拟,结果显示,不同的积水深度对渗流场的影响很小,因此,在进行裂隙性膨胀土渗流分析时,积水深度为0的假定是可以接受的。基于膨胀土开裂裂隙的规模及渗透性的不同,提出了考虑裂隙系统的膨胀土边坡渗流分析方法,计算结果表明,土体开裂显著改变了膨胀土内部的渗流场分布。该方法可以更好地模拟坡渗流场随时间的变化规律,以及更合理地解释了降雨入渗引起的膨胀土边坡浅层滑动机制。     

成层非饱和土渗流的耦合解析解

成层土在工程中很常见,研究降雨过程中成层非饱和土的渗流-变形耦合对非饱和土土力学的发展具有重要的意义。由流体质量守恒,Darcy定律和Lloret等的非饱和土本构模型可得成层非饱和土渗流-变形耦合的控制方程。采用Gardner的非饱和土的渗透系数公式以及Boltzman模型,基于Laplace变换得到耦合方程的解析解。解析及其参数分析表明,渗流和变形耦合是具有时间效应的。与吸力变化相关的土的模量F,对成层土的孔隙水压力分布有明显影响。两层土的F差异越大,孔隙水压力消散得越慢,耦合效应越不显著。增大表层土的F值有利于降低耦合效应。成层土饱和体积含水率变化对吸力变化产生有限的影响     

考虑降雨影响的膨胀土边坡稳定性分析简化法

基于非饱和土一维降雨入渗模型,模拟了膨胀土边坡在降雨入渗条件下的水分运移特征。通过试验,研究了膨胀土抗剪强度随含水量变化的关系,提出了一种考虑降雨入渗影响的膨胀土边坡稳定性分析的简化方法。研究表明,随降雨历时的增加,边坡的安全系数逐渐变小,边坡最危险滑动面有向浅层发展的趋势。这种方法既能避免繁杂的基质吸力测量,同时能够考虑膨胀土的非饱和性,可以基本满足一般中小型工程设计的需要。     

非饱和土渗流与变形耦合问题的有限元分析

基于多孔介质力学原理,建立能模拟非饱和土两相流动与变形耦合问题的理论模型。利用Galerkin法对控制方程进行离散,得到控制方程的有限元计算格式。在此基础上,自主开发了有限元计算程序U-DYSAC2,并对Liakopoulos两相流动试验这一经典算例以及重非亲水相流体（DNAPL）在饱和多孔介质中迁移的离心模型试验进行了数值模拟。计算结果表明,理论预测与试验结果基本吻合,验证了所提出的分析方法在模拟非饱和土渗流以及变形问题时的有效性,从而为定量研究饱和-非饱和渗流以及变形问题提供了一条有效途径。     

黄河下游堤防非饱和土边坡渗流分析

根据室内非饱和土的渗透试验得出的非饱和土的渗透参数,针对黄河下游堤防典型的非饱和土边坡,采用有限单元法系统地分析了堤防非饱和土边坡在降雨和洪水作用下的非饱和渗流场特征,并得出降雨与洪水对非饱和粉质黏土边坡渗流场的改变范围,该范围的大小为浸润线移动前方2 m之内。进一步分析了降雨与洪水共同作用对黄河下游堤防边坡非饱和渗流场的影响,分析结果表明降雨程度的大小和持续时间的长短直接影响着洪水对非饱和渗流场改变的难易程度。     

非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题

为探究膨胀土物理力学性质指标对其膨胀变形影响。结合陕西安康地区某膨胀土工程实例,基于大量野外岩土勘察和室内测试数据资料,采用主成分分析法研究了膨胀土的膨胀变形与其物理力学性质指标间相关性及不同指标重要程度,建立了以主要物理力学指标为参数的膨胀土膨胀变形判别公式。影响膨胀土膨胀变形的物理力学指标可划分为反映外界环境的指标(含水率、饱和度、液性指数及含水比)、反映土体构造特征的指标(密度、干密度及孔隙比)、反映土体结构强度特征的指标(压缩系数和内摩擦角)及反映土体组成特征的指标(塑性指数和黏聚力);含水率是影响膨胀土膨胀变形的关键指标,所建立判别公式可为类似地区膨胀土膨胀变形的判别提供参考。     

应变软化土坡渐进破坏的可靠度分析

在考虑土性参数的不确定性和土体应变软化特性的基础上,以可靠度方法建立了边坡渐进破坏的极限状态方程。通过计算边坡局部破坏概率,确定边坡中最危险的土条,并推导出破坏起始于该土条,逐渐向两侧扩展的渐进破坏概率计算公式。该方法能很好地反映边坡局部破坏的产生、扩展及对边坡整体稳定性的影响,找到最贴近实际情况的破坏传播路径,为边坡稳定分析提供了理论依据。通过算例分析可知,滑动面上各个土条的局部破坏概率均不相等,破坏起始于中部第8土条,破坏先向上传递,后向下传递至坡脚,并非从坡脚向坡顶传递的牵引式破坏,或从坡顶向坡脚传递的推移式破坏。     

非饱和膨胀土边坡的稳定性分析

为了提高非饱和膨胀土边坡的稳定,采用了土工膜覆盖边坡表面的方法.基于非饱和渗流理论,采用有限元程序对用膜覆盖和不覆盖的边坡分别进行了降雨蒸发干湿循环条件下的数值分析.在计算结果基础上,采用极限平衡法分析了边坡的稳定性.结果表明,用膜覆盖后边坡能长期保持非饱和状态,土体吸力较高,其稳定安全系数明显高于无膜保护的边坡,用复合土工膜覆盖边坡有利于提高非饱和膨胀土边坡的稳定.     

降雨入渗对土坡稳定性影响分析

在饱和-非饱和渗流理论基础上,从降雨强度、前期降雨总量、不同的土坡坡度以及是否考虑植被护坡等方面对大气降雨条件下土坡的稳定性进行了探讨.分析结果表明,在土体饱和渗透系数一定的条件下,强降雨对土坡稳定系数影响显著;土坡越陡,降雨强度大小对土坡安全性影响就俞显突出;土坡表层植物根系的存在影响非饱和区渗流场分布,可以延缓非饱和区含水量的增大,土坡稳定系数得到提高.     

非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和分析法研究

研究可以同时考虑渗流、变形与稳定的非饱和土质边坡稳定性分析方法具有重要的理论意义及工程实用价值。基于Fredlund双应力变量理论进行非饱和非稳定渗流-应力耦合分析,同时与传统非耦合渗流方法确定的孔压场进行对比发现,两种方法确定的浸润线变化过程相近,堤底处孔压的最大相对误差为8.8%,验证了耦合分析结果的可靠性。将基质吸力对强度的贡献纳入黏聚力中得到坡体强度参数的空间分布规律,又基于滑面强度参数时空分布规律借助Matlab平台开发了非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和法分析程序。以库水位下降条件下堤坡的稳定性分析为例,将不同方法的计算结果进行对比,发现文中方法搜索得到的滑面位置相对于传统方法要深缓,但总体位置相差不大,不同方法对应的安全系数相差不足0.096,验证了所提方法的合理性。     

非饱和膨胀土SWCC研究

研究土体吸力与含水量关系,对于非饱和土的变形和强度问题,有重要的应用价值。利用非饱和土三轴仪对膨胀土进行试验研究,比较系统地分析了矿物成分、孔隙结构、土体应力状态、应力历史等因素对土-水特征曲线的影响。尤其土的矿物成分和孔隙结构是主要的影响因素。综合考虑各种因素的影响,通过室内和野外吸力量测,对土-水特征曲线进行拟合、比较,建立了幂函数模型。由土-水特征曲线可知,室内干湿循环土-水特征曲线具有明显的差异性,野外土-水特征曲线的差异性不明显,并与室内浸湿曲线相似。将野外曲线和浸湿曲线结合起来,推算非饱和状态下土的渗透性、抗剪强度等指标,可以较好地解决岩土力学问题。     

低矮路堤下膨胀土地基渗流与变形耦合研究

二维渗流与变形耦合控制方程是基于流体质量守恒、Darcy定律及膨胀土弹性本构方程得出的。结合云桂高速铁路低矮路堤下膨胀土地基现场浸水试验,并采用考虑耦合和不考虑耦合两种数值模拟方法,分析了低矮路堤下膨胀土地基的膨胀变形特性。研究结果表明,耦合情况下地基表面膨胀变形呈双曲线变化,非耦合情况下地基表面膨胀变形随时间的增加而逐渐增大,对同一时间而言,未考虑耦合效应数值模拟得到的膨胀变形落后于考虑耦合影响的膨胀变形;耦合与非耦合情况下地基的相对膨胀率沿深度方向呈衰减变化。数值计算结果与现场试验结果比较表明,不考虑耦合影响的数值模拟方法难以描述人工浸水条件下膨胀土地基的膨胀变形规律,而考虑耦合影响的数值模拟方法与现场实测值吻合较好。