基于多场耦合非饱和膨胀土边坡渐进破坏研究

发布时间：2020-04-19 08:16

【摘要】：膨胀工作为自然界一种广泛分布的非饱和特殊性黏土,因其吸水膨胀失水收缩的特性,其对暴露于自然环境下的边坡工程极易造成重大的影响。建立简洁有效的分析方法,分析膨胀土膨胀性对边坡工程的影响,明确膨胀土边坡渐进破坏机理,是解决由其特殊性引发工程安全问题的关键,具有重要的实践意义。因此,针对非饱和膨胀土边坡,采取以理论分析、程序开发、室内试验、以及数值模拟相结合的研究思路,对非饱和膨胀土的膨胀模型、参数确定、工程特性、降雨入渗边界以及降雨诱发边坡渐进破坏进行了系统地研究。主要的工作及成果如下:(1)基于增量塑性理论框架,引入双参数变切线模量概念,开发一种改进的非线性实用模型(DM)。通过相关的室内试验,验证了DM模型在压缩、拉伸状态下、循环加/卸载状况下、压缩到反向拉伸情况下非线性应力应变特性,以及土体应变软化的特性。相较于常用的理论模型,该模型通过单参数调节实现应力应变曲线由线性至双曲线的转变,克服了应力应变曲线形式单一的局限性,具有更广泛的适用性。(2)在非线性实用模型(DM)基础上,通过引入双相流固结理论并结合膨胀应变与基质吸力的线性假定,开发一种适用于膨胀土工程的非饱和渗流场-应力场-膨胀应变场多场耦合数值计算程序(DMUS)。通过经典砂柱排水试验及三维自由膨胀试验,验证了 DMUS模型能够有效反映膨胀土非饱和渗流及固结的耦合特性、以及湿胀过程中各阶段工程特性,对于预测和分析膨胀土工程具有一定适用性。(3)基于常规的室内试验手段,针对广西膨胀土进行室内物理特性、强度、收缩及膨胀试验,分析膨胀土工程性质变化规律及相关影响因素,获得初始干密度、初始含水量以及干湿循环对膨胀土强度、收缩特性、膨胀特性以及膨胀力的影响规律。(4)基于群体智能差分进化算法,搭建多场耦合数值计算程序(DMUS)参数反分析平台,建立膨胀土膨胀模量参数的预测方法。同时,通过膨胀土膨胀性因素敏感性分析,获得膨胀性与泊松比、膨胀模量、初始饱和度、上覆荷载、摩擦角、初始模量、粘聚力、干密度以及抗拉强度参数的定性关系及敏感性大小。(5)基于坡面流理论,建立适用于多场耦合模型(DMUS)的降雨入渗-产流边界。通过室内降雨入渗试验的比对,验证其适用性。同时,对斜坡降雨入渗规律进行系统地研究,获得坡体饱和度、降雨强度以及坡比对坡面入渗、产流的影响规律。通过与常规的简化降雨边界进行对比,获得了各类边界的适用范围,降雨入渗-产流边界具有更广泛的适用范围。(6)应用多场耦合数值计算程序(DMUS)及降雨入渗产流边界,进行单次降雨诱发膨胀土边坡渐进性破坏研究,清晰地呈现了单次降雨诱发的非饱和膨胀土边坡由坡脚起始,向坡顶延伸的多层、逐级后退式牵引性滑坡特征。同时,对降雨诱发渐进破坏过程中破坏形态、应力、位移及其影响因素进行细致分析,明确了坡体渐进破坏演化规律,总结了降雨诱发膨胀土边坡多层逐级后退式失稳破坏机理。
【图文】：

膨胀土,边坡工程,黏土,非饱和

便意识到膨胀土对工程的危害性［１］。而后，随着膨胀土工程灾害逐渐增多，膨胀土逡逑受到工程界的关注。据调查统计，除了南极洲以外，其余六大洲均发现膨胀土的逡逑存在，如图１．１ａ世界膨胀土分布图所示。可以发现，我国是膨胀土分布最广、面逡逑积最大的国家之一。据统计，膨胀土分布面积己超过１０万平方千米。１９５０年，自逡逑四川成渝铁路修建以来，膨胀土问题引起国内学者及工程师的普遍重视，己发生逡逑危害地区多达２０多个省、市及自治区［２，３］，如图１．１ｂ中国膨胀土灾害分布所示。逡逑从区域分布来看，与其他特殊性黏土一致，膨胀土的分布特征明显受到气候与地逡逑理位置的影响［４］。虽然，各地膨胀土的成分及成因各有不同，但其表现出的胀缩特逡逑性却是高度一致的。逡逑大量工程实践表明，构筑于膨胀土中的各类工程的变形破坏往往有别于其他逡逑岩土工程。从某种层面上说，膨胀土的危害无处不在。随着我国经济高速发展，逡逑在诸多工程实践需求之下

示意图,后退式,剖面示意图,膨胀土边坡

该类模型在一定程度上体现了含水量与膨胀变形的关系，但是温逡逑度扩散方程与渗流连续方程的相似仅在饱和渗流情况下。然而膨胀土作为典型的逡逑非饱和土，基于热固耦合模块开发的膨胀土模型难以真实的反映膨胀土工程中实逡逑际水分迁移的特性，继而难以分析膨胀土边坡渐进破坏过程。逡逑１．２．３膨胀土边坡渐进破坏研究现状逡逑边坡失稳破坏往往不是一蹴而就，而是由局部破坏逐步累积进而形成。根据逡逑大量膨胀土边坡失稳破坏调查研究表明［５８＿６３］，膨胀土边坡极易受到外部环境因素逡逑的影响，发生坡面侵蚀、局部崩塌、甚至整体滑移破坏等不同规模的失稳破坏。逡逑由于干缩湿胀的特殊性，膨胀土边坡破坏特征往往比一般黏性土边坡具有更为突出的个性特征：膨胀土边坡破坏时常发生在降雨结束后一段时间，具有明显逡逑的时间延后性；破坏往往以坡脚局部滑移破坏为起始，随着滑移面向后扩展，形逡逑成多级滑块，，直至达到稳定，具备明显的多层逐级后退式牵引性的渐进破坏特征，逡逑如图１．２Ｅｓｔｏｎｉａ西部Ｓａｕｇａ滑坡示意图所示。同时，坡面浅表层时常伴随有侵蚀、逡逑剥落等浅层破坏性。逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU443

【参考文献】