非饱和膨胀土的本构模型及在边坡稳定性评价中的应用

论文摘要

本文针对非饱和膨胀土的理论、边坡稳定性评价及其加固问题，在回顾和总结前人研究成果的基础上，通过野外监测，非饱和土的室内试验，数值模拟和程序开发等研究手段，提出了土水特征曲线的应用及强度公式，指出Alonso的弹塑性模型的不足，并将其改进。分析了非饱和膨胀土边坡的浅层滑坡特点和原因。本文取得主要研究成果如下： 1) 监测和试验方面：开挖膨胀土边坡的吸力比自然边坡的吸力变化幅度大，分散性大，规律性差。在边坡的不同位置的大气影响深度不同。非饱和土凝聚力和内摩擦角均是吸力的增函数；吸力趋向于无穷大时，凝聚力和内摩擦角为定值。 2) 理论方面：通过野外获取的吸力和饱和度，提出分段的多项式拟合土水特征曲线，其精度高，便于求解非饱和土的剪切强度和渗透系数。室内SWCC不同于野外的SWCC，不易获得进气值和残余含水量。利用一种有效应力和土水特征曲线，本文首次提出了一种新的非饱和土强度公式，试验结果表明该强度公式是有效的。基于实验结果，指出Alonso模型中的p_s=ks的假设不合理之处；Alonso模型中CSL的斜率M是定值与试验结果不符。改进的模型提出了M(s)的非线性表达式，参数易于确定，且被证实可行。改进后的模型认为p_o，M及LC屈服面函数都是随吸力增大而呈现非线性的增大，当吸力为无穷大时，这些值均接近一定值。 3) 边坡稳定性方面：开发非饱和土膨胀土边坡稳定性的计算程序，从吸力、分层以及裂隙等角度分析边坡滑坡的浅层特点，计算膨胀土边坡的稳定性需考虑分层。因气候膨胀土堑坡表层出现强度分层，这致使路堑边坡发生浅层失效，且后缘多出现在坡顶；坡表大量裂隙是滑坡后缘出现在坡腰的症结所在。蠕变反映了滑坡孕育和发展的时间效应。它们共同决定膨胀土滑坡的特点。 4) 工程加固及应用方面：基于受力分析，结合数值模拟和监测结果，认为锚杆框架梁是加固膨胀土边坡的有效方式，框架梁设计完全依据膨胀力是欠合理的；建议采用Winkler假设和半无限弹性体理论计算框架梁的内力。根据锚杆框架梁的受力和变形研究锚杆内力分布规律。提出了锚杆框架梁的优化设计方案，对工程具有指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 非饱和膨胀土的本构模型理论研究现状
• 1.2.2 非饱和膨胀土的土水特征曲线的研究现状
• 1.2.3 非饱和膨胀土边坡稳定评价
• 1.3 研究内容和技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 1.4 论文创新点
• 第2章 非饱和膨胀土边坡吸力和饱和度的野外监测
• 2.1 研究区域概况
• 2.2 自然地理概况
• 2.2.1 地理位置
• 2.2.2 地形地貌
• 2.1.3 降雨及气候
• 2.3 区域地质概况
• 2.3.1 地层
• 2.3.2 地质构造
• 2.3.3 地震
• 2.3.4 水文地质条件
• 2.4 膨胀土的基本工程特性
• 2.4.1 膨胀土的成因
• 2.4.2 破坏类型
• 2.4.3 膨胀土的特性
• 2.5 吸力和饱和度的监测
• 2.5.1 观测的设计及布设
• 2.5.2 监测数据分析
• 2.6 土水特征曲线
• 2.6.1 自然边坡的 SWCC
• 2.6.2 开挖边坡的SWCC
• 2.7 小结
• 第3章 非饱和膨胀土的本构关系模型
• 3.1 吸力和有效应力的概念
• 3.2 非饱和土的本构模型简述
• 3.2.1 弹性模型
• 3.2.2 弹塑性模型
• 3.2.3 考虑水力滞后的弹塑性模型
• 3.3 Alonso改进模型
• 3.4 非饱和膨胀土的实验方案
• 3.4.1 实验装置介绍
• 3.4.2 试样制备
• 3.4.3 实验方案
• 3.5 改进模型参数的确定
• 3.6 小结
• 第4章 非饱和膨胀土的强度
• 4.1 研究目的和内容
• 4.2 基于GDS实验的计算饱和度的方法
• 4.2.1 非饱和土的密度
• 4.2.2 非饱和土饱和度的测量
• 4.3 土水特征曲线的影响因素
• 4.3.1 土的矿物成分与结构
• 4.3.2 应力状态的影响
• 4.4 土水特征曲线的表达及滞后性
• 4.5 非饱和土的强度公式
• 4.6 非饱和膨胀土的强度试验
• 4.7 基于SWCC的非饱和膨胀土强度
• 4.7.1 非饱和膨胀土的强度求解
• 4.7.2 非饱和膨胀土的渗透系数求解
• 4.8 非饱和土的新的强度
• 4.9 小结
• 第5章 非饱和膨胀土的边坡稳定性评价
• 5.1 研究内容和目的
• 5.2 非饱和膨胀土的强度
• 5.3 非饱和膨胀土边坡稳定性的评价
• 5.3.1 饱和膨胀土边坡稳定性的评价方法
• 5.3.2 非饱和膨胀土边坡稳定性的评价方法
• 5.4 非饱和膨胀土边坡程序的编制
• 5.4.1 程序特点及功能
• 5.4.2 程序的主要假设
• 5.4.3 程序变量说明
• 5.5 非饱和膨胀土路堑边坡的稳定性分析
• 5.5.1 吸力强度应用于非饱和土边坡的稳定性计算
• 5.5.2 新的非饱和土强度应用于土坡的稳定性计算
• 5.6 小结
• 第6章 膨胀土边坡工程加固应用
• 6.1 膨胀土滑坡特点和破坏机理
• 6.1.1 FLAC3D介绍
• 6.1.2 分层模拟
• 6.1.3 裂隙模拟
• 6.1.4 流变模型模拟
• 6.2 框架梁加固膨胀土路堑边坡
• 6.2.1 框架梁的受力分析
• 6.2.2 锚杆的受力特点和加固机制
• 6.2.3 工程实例
• 6.3 锚杆框架梁的优化及加固效果评价
• 6.3.1 模型的建立
• 6.3.2 模拟结果和分析
• 6.4 小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献