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。     

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.     

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。      

膨胀土路基变形的数值模拟

在非饱和土固结理论的基础上,分析了降雨入渗条件下全填筑和全开挖膨胀土路基变形的特征,获取了浸水后膨胀土路基内塑性区的发展过程,得出了膨胀土路基一般发生浅层滑动的结论,这种滑动与通常饱和土的边坡失稳的原因是不同的。     

考虑裂隙非饱和膨胀土边坡入渗模型与数值模拟

包含裂隙的非饱和膨胀土中的渗流具有随时间变化的特性。采用常规试验测定非饱和膨胀土膨胀时程曲线,定量地描述了膨胀土中裂隙在入渗过程中逐渐愈合的特征, 建立了考虑裂隙的非饱和膨胀土边坡入渗的数学模型;用有限元数值模拟方法分析了边坡地形、裂隙位置、裂隙开展深度及裂隙渗透特性等对边坡降雨入渗的影响。结果表明, 坡上位置的裂隙对边坡入渗影响较大;裂隙对边坡入渗的影响随裂隙深度的增大而增大,且存在一最大的影响程度;裂隙的存在加快了膨胀土的入渗速率;考虑裂隙随入渗而愈合时, 入渗达到平衡的时间有所延长。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

膨胀土边坡稳定分析方法研究

Bishop法等边坡稳定分析的经典方法用于分析膨胀土边坡时本身并无问题,只是由于计算条件的考虑不足,使得计算结果不能反映出膨胀土上的滑坡特点。在Bishop法的基础上,通过完善其计算条件,考虑了裂缝开展导致的土体强度降低、裂缝开展的深度、降雨时裂缝群中形成的渗流,以及可能的裂缝侧壁静水压力的作用等影响因素,完成了对膨胀土边坡稳定分析方法的改进。改进后的方法反映出裂缝对膨胀土边坡稳定性的影响,计算结果真实再现了浅层性、牵引性、长期性、平缓性和季节性等膨胀土边坡的滑坡特点。     

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。     

乐坝火车站后山边坡降雨作用下渗流数值分析

研究拉张裂缝充水和降雨共同条件下边坡渗流特征对边坡稳定性分析具有关键作用.基于饱和—非饱和土渗流理论及边坡饱和—非饱和土渗透特性,设计4种降雨类型并对案例边坡有限元渗流数值计算分析,分析表明:①在稳态渗流下,边坡上部负孔隙水压力值最大,边坡下部值最小,渗流速度在边坡上部、中上部、中下部值增加缓慢,在下部值骤增;②在瞬态...     

基于FLAC3D平台的边坡非饱和降雨入渗分析

为研究降雨入渗条件下三维边坡渗流场的变化过程,在全面研究FLAC3D软件渗流分析模块功能及算法的基础上,通过编写FISH函数完善了FLAC3D软件的非饱和渗流计算功能。基于降雨入渗机制的分析,编写了降雨入渗及停雨出渗边界的FISH函数,实现边坡三维降雨入渗过程的模拟。通过降雨条件下算例边坡的饱和非饱和渗流场变化过程的数值计算,研究了降雨入渗引起的边坡暂态饱和区变化过程,并与已有研究成果进行对比分析,从而验证了自编FISH函数实现边坡三维非饱和渗流计算结果的正确性。研究成果表明,文中提出的边坡三维非饱和降雨入渗分析是可行的,同时也为三维边坡非饱和渗流场的研究提供了一条有益的途径。     

降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定分析

针对降雨入渗土坡的稳定问题,建立一个考虑水力渗透系数特征曲线、土-水特征曲线以及修正的Mohr-Coulomb破坏准则的非饱和土流固耦合有限元计算模型,进行雨水入渗下非饱和土边坡渗流场和应力场耦合的数值模拟,得到非饱和土边坡变形与应力的若干重要规律。研究成果为降雨入渗条件下非饱和土边坡的稳定分析提供了基础。     

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。     

土工袋加固膨胀土边坡降雨−日晒循环试验研究

为了解复杂气候条件下土工袋加固膨胀土边坡的效果与机制,开展袋装膨胀土边坡降雨−日晒循环试验,观察并分析边坡位移变形、坡面冲刷、降雨入渗等情况,并与素膨胀土边坡进行对比。试验结果表明：素膨胀土边坡在降雨−日晒循环作用下,边坡表面产生的裂隙较多,容易出现土体流失,土工袋则具有良好的反滤和抗冲刷作用,可以减少袋内和下卧层土体的流失,保持边坡的稳定性;土工袋对膨胀土有较好的约束作用,可以有效地抑制其膨胀变形,减小因变形引发边坡失稳的可能性;土工袋有良好的排水效果,雨水能通过土工袋袋间间隙快速地排出,边坡内含水率的增加幅度较小。     

不同饱和度下膨胀土原位孔内剪切试验及强度响应特征

膨胀土强度随饱和度变化显著,非饱和膨胀土的抗剪强度一直是研究膨胀土工程问题的关键。选取南阳市某高速路沿线边坡膨胀土为研究对象,进行了天然条件下处于不同饱和度状态的膨胀土原位孔内剪切试验,获得了自然条件下膨胀土的抗剪强度随饱和度的变化特征。膨胀土的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角随着膨胀土饱和度的增大而逐渐减小。结合现场试验数据和土-水特征曲线,提出了以法向应力、饱和度为变量和以法向应力、基质吸力为变量的两种非饱和膨胀土的抗剪强度计算模型,并结合试验数据对计算模型的适用性进行了验证。与之前常用的非饱和土抗剪强度计算模型相比较,提出的两种计算模型所需的拟合参数少,适用于更宽吸力范围、不同法向应力条件下非饱和膨胀土抗剪强度的计算,且结果更为准确。