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。     

节理岩质边坡变形的DDA模拟

对原非连续变形分析方法（DDA方法）中边界约束方法进行了推广，将其应用于节理岩质边坡变形规律的数值模拟，并利用模型实验结果验证了推广方法的正确性。     

膨胀土边坡稳定性非连续变形分析新方法

许多膨胀土边坡在长期的地质和干湿循环的自然气候作用下裂隙逐渐发展,以致被裂隙分割成块体系统。将膨胀土边坡看成是一个具有非饱和土本构关系、块体间存在摩擦力和膨胀力和具有牵引式滑动及时空效应特点的块体系统,建立了一种新的边坡稳定性非连续变形分析方法,并应用于某高速公路段膨胀土边坡稳定性的分析中,获到了很好的效果。     

卫生填埋场复合边坡地震稳定性和永久变形分析

采用非连续变形分析方法,对卫生填埋场复合型边坡的地震稳定性和永久变形进行了详细地计算分析,探讨了边坡倾角、土与土工膜之间的摩擦系数、边坡的长度、覆盖土层的厚度以及地震加速度对边坡的稳定性和永久变形的影响。由边坡的破坏形式,讨论了复合型边坡的破坏机理,指出了文献[1]给出的计算公式的适用条件以及局限性,为卫生填埋场复合型衬垫层的稳定设计提供参考。     

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。     

饱和土坡降雨变形的数值模拟

基于Biot两相饱和多孔介质固结理论,采用有效应力有限单元法对降雨作用下饱和土质边坡的性状进行了数值模拟。对于土的本构行为,采用了一个可以考虑“松冈-中井破坏准则”的弹塑性模型来模拟。首先对降雨作用下边坡变形的数值分析方法进行了简要介绍。然后,应用这种方法,对一个边坡的工程实例进行了降雨变形分析。计算结果较好地描述了边坡降雨变形的发展情况,反映了降雨作用下边坡性状的基本特征,并得到了一些有益的结论。     

膨胀土边坡非饱和渗流及渐进性破坏耦合分析

膨胀土边坡受降雨影响产生膨胀变形,是典型的非饱和土多场耦合问题。为探究降雨入渗对其渐进性破坏的失稳过程,基于饱和-非饱和渗流理论、膨胀土弹塑性本构关系和应变软化理论,利用应变软化模型、FLAC3D二次开发平台和内置FISH语言,提出了一种综合考虑非饱和渗流、膨胀变形和应变软化的多场耦合数值分析法。结合工程实例,通过该方法探讨了降雨入渗条件下膨胀土边坡非饱和渗流、位移响应及渐进性破坏的变化规律。结果表明:膨胀变形和应变软化受控于非饱和渗流的时空分布,对边坡位移响应过程影响显著,也易导致饱和-非饱和分界带形成剪应力集中区。膨胀土边坡渐进性破坏由局部破坏转变为整体性失稳,其塑性破坏区首先随悬挂型暂态饱和区的变化向坡内扩展,雨后逐渐形成第二条由坡脚向坡顶扩展的滑动带,呈现出多重滑动性和后退牵引式的破坏特征。     

考虑吸湿膨胀及软化的膨胀土边坡稳定性分析

膨胀土是一种具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性的特殊黏性土,暴露于大气中的膨胀土边坡处于连续的干湿循环过程中,在降雨条件下极不稳定。基于饱和-非饱和渗流理论,对降雨条件下膨胀土边坡的非饱和渗流过程和吸湿过程进行了数值模拟。编写了相应的FORTRAN语言程序,考虑了渗流过程中基质吸力变化、渗流软化和吸湿膨胀的影响,分析了强度衰减、渗流软化和湿胀对膨胀土边坡整体稳定性的影响。结果表明,在降雨作用下,经过多次干湿循环后,膨胀土边坡的破坏模式为浅层牵引式崩塌,破坏面位于风化区,与普通黏性土边坡的深层圆弧滑坡有较大区别。在考虑湿胀软化效应后,边坡最大位移增大了一个数量级,稳定性系数显著降低,膨胀性是边坡浅层滑坡的主要原因。研究结果较好地解释了膨胀土滑坡特有的牵引性、反复滑动性和浅层破坏性。     

基于线性互补的非连续变形分析

非连续变形分析(DDA)方法是一种新的用来分析块体系统运动和变形的非连续介质数值计算方法。研究的核心工作是致力于对现有DDA接触问题处理方法的改进。DDA主要采用罚函数法和Lagrange乘子法处理接触问题,合理设定罚参数很困难,此外,因开闭迭代而引起的刚度矩阵的不连续变化也会导致收敛方面的困难。为避免引入罚参数及传统意义上的开闭迭代,用混合线性互补模型(LCDDA)对DDA方法进行了重新描述。在此基础上,综合基于非光滑分析的Newton法的局部平方收敛和最速下降法的全局线性收敛的优势,提出求解LCDDA模型的有效算法。根据上述思想及理论研究成果编制了完整的计算程序,算例计算结果证明了方法的精度及可行性。     

膨胀土膨胀模型及其反演

对膨胀土膨胀性这一难题,目前通用的做法是施加一个膨胀力,但是无法给出一个合理的解释,膨胀力的大小也是根据经验来施加的,本文提出了膨胀土的膨胀模型(ESEM)并根据土坡的位移采用反演方法来确定了膨胀土的膨胀力;采用公式推导的方式,指出给膨胀土施加膨胀力和施加膨胀变形是一致的;结合降雨分析,运用Drucker-Prager模型编制了有限元程序,选用2范数进行反演运算;计算过程显示,膨胀土膨胀参数与2范数是单值连续具有凹点的,采用牛顿迭代法迭代,计算得出膨胀土膨胀参数;最终的计算结果,确定了膨胀土边坡的膨胀参数以及膨胀力公式。     

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.     

膨胀土膨胀模型及边坡工程应用研究

膨胀土吸湿膨胀往往会导致工程安全问题。以南阳中膨胀土为研究对象,通过改良试样进水控制系统、测量外体变等措施,实现三轴应力状态膨胀试验,研究充分吸湿引起的体积膨胀率、终了含水率与初始含水率、平均主应力之间的规律关系。试验发现：三轴应力状态下的体积膨胀率与终了含水率均随平均主应力的增大而减小,且在半对数坐标中均呈较好的线性关系,据此建立了三轴应力状态的膨胀模型。将该膨胀模型应用到数值计算中,分析了考虑膨胀变形对膨胀土边坡应力场分布的影响规律,比较了充分吸湿条件下不同膨胀等级的膨胀土边坡的塑性区发展特征,并针对不同厚度换填处理措施进行了效果验证。研究表明：该膨胀模型表达式简洁,参数求取简单,用于数值计算成果合理可靠,具有较强的实用性。     

多级荷载下弱膨胀土的膨胀变形特性试验研究

为研究压实弱膨胀土的膨胀变形特性,对取自高淳某边坡的弱膨胀土进行固结及浸水膨胀变形试验,研究了在300,200,150,100,75,50,25和12.5 kPa共8种上覆压力下不同初始干密度及初始含水率土体的固结及膨胀变形特征。试验结果表明:初始含水率及初始干密度对弱膨胀土的膨胀变形特性均存在一定的影响,在其余条件相同的情况下,膨胀土的膨胀变形量随着初始干密度的增大而增大,随着初始含水率的增大而减小。分析了膨胀土固结及膨胀变形过程的典型曲线特点,研究了不同初始干密度及初始含水率下土体固结与膨胀曲线膨胀区与压缩区分界点特征,得出在初始含水率相同时,分界点的上覆压力与分界点孔隙比及土体的初始干密度均呈正比关系。通过对土体试验数据的分析拟合,结合土体变形过程中的孔隙比与初始状态关系的推导,提出了弱膨胀土的膨胀变形量计算方法,结合工程包边法路堤填筑的荷载分布,采用分层总和法推导了工程包边法膨胀土路堤填筑的膨胀变形量计算方法,并用于路堤膨胀量的预估中。     

反倾层状岩质边坡悬臂梁极限平衡模型研究

基于悬臂梁理论和运用极限平衡法研究反倾层状岩质边坡变形破坏是一种既注重变形过程又注重力学分析的可行方法。在国内外研究现状基础上,研究悬臂梁极限平衡分析模型。首先通过野外现象的观测,提出能对反倾层状边坡变形几何空间条件进行分区的“基准面”的概念,再利用“基准面”分析岩层分区破坏模式的力学机制,认为破坏面的形成机制是弯曲拉裂和压缩剪切的共同作用结果,对悬臂梁极限平衡分析模型中的各参数确定给出假设或理论分析,建立了计算模型。以重庆市巫溪县中梁水库硝洞槽-郑家大沟库段反倾岸坡为例,在边坡变形破坏模式识别基础上,应用悬臂梁极限平衡模型理论分析实例,验证该模型的合理性,同时也给出反倾层状边坡悬臂梁极限平衡模型计算步骤,用数值模拟方法验证该分析模型的正确性。模型计算结果表明,破坏区大体分为滑移区、倾倒区和倾倒变形影响区,破坏区大小由坡角、岩层倾角、坡高共同决定,当三者关系（见式（13））大于0时,才存在破坏区,才有可能发生变形破坏。研究成果对反倾层状岩质边坡稳定性评价与防治具有理论指导意义和应用价值。     

南水北调渠坡膨胀土胀缩特性及变形模型研究

南水北调工程膨胀土渠坡变形受大气降雨、蒸发等干湿循环作用较为显著,揭示渠顶膨胀土在干湿循环作用下的胀缩变形和垂直位移变形特征,可为渠坡的稳定性评价与处治方案提供依据。利用膨胀土室内胀缩特性试验结果,结合垂直位移量、含水率、降雨量、蒸发量和气温监测等现场观测数据,分析渠顶位移量和影响因子间关联度,建立了干湿循环作用下渠顶膨胀土的竖向变形模型。研究结果表明,以含水率、降雨量、蒸发量等构成的胀缩因子与渠顶垂直位移呈负相关关系,胀缩因子引起垂直位移分量较小;温度因子与渠顶垂直位移呈正相关关系,对渠顶垂直变形有较大影响,是影响渠顶变形的主要因素;渠坡开挖（时效因子）在施工初期对渠顶垂直变形有一定的影响,开挖完成后对渠顶垂直变形影响甚微。     

膨胀土弹塑性本构关系数值建模方法研究

按照数值建模理论,建立了不同含水率条件下膨胀土的应力-应变关系。通过可视化绘出了在整个应力场（p,q）中的三维应力-应变关系曲面和屈服轨迹。经过对比可见含水率的变化对膨胀土本构关系的影响是明显的。未使用传统的塑性势理论,而是采用数值建模方法,既克服了寻找塑性势解析表达式的困难,又可以任意选择含水率等初始条件,从而使建立的本构数值模型能够真实地反映膨胀土的变形过程     

膨胀土卸荷蠕变特性及其非线性蠕变模型

鉴于膨胀土滑坡往往表现为长期性、渐进性等与时间相关的特性,利用GDS应力路径三轴仪对膨胀土进行了三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明：当偏应力较小时,膨胀土的蠕变曲线仅出现瞬时变形和衰减蠕变;当偏应力达到一定值时,其蠕变曲线也呈现衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段,但其加速蠕变阶段的特征与一般岩土体不同,其蠕变速度近乎常数。膨胀土的应力?应变等时曲线显示,膨胀土卸荷蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平相关,蠕变时间越长、应力水平越高,其非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性四元件蠕变模型,将标准线性体与一个非线性黏壶串联,该模型可描述等围压三轴压缩应力状态下膨胀土轴向应变随时间的演变规律。根据膨胀土卸荷蠕变试验结果,采用曲线拟合法对三维非线性模型的参数进行反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,说明该模型可以很好地描述膨胀土的蠕变特性。此外,基于该蠕变模型获取了膨胀土的临界破坏应力,其与常规剪切破坏应力的比值随着固结压力的减小而减小,表明越接近坡面的土层越容易发生蠕变破坏。