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非饱和膨胀土的裂隙概化模型与边坡稳定研究

袁俊平  
【摘要】: 本文所进行的研究架构在膨胀土边坡变形与稳定预报的“双链”思想的基础上,认为降雨入渗过程中膨胀土边坡土体的强度折减主要来源于两个方面:一是降雨入渗时边坡土体中土的性状的变化;二是降雨入渗过程中由于土体含水量的增加变化导致边坡吸力降低。本文着重研究前者,将膨胀土的裂隙性作为反映土体性状的主要方面,通过室内试验、现场观测以及数值模拟分析方法,对裂隙的观测手段与定量化描述、浸水愈合特征、裂隙网络渗流特性、裂隙土体强度特性等方面进行了全面系统的试验研究,在此基础上建立膨胀土边坡裂隙网络入渗的数学模型和非饱和裂隙膨胀土固结的数学模型,并应用数学模型对降雨入渗条件下不同裂隙发育状态时膨胀土边坡中水气运移、强度与变形特征进行了有限元数值分析。 首先,在湖北枣阳试验现场,通过手工素描与拍照的方法对膨胀土裂隙进行了观察统计;在室内,利用远距光学显微镜系统对膨胀土裂隙进行了连续拍照观测,建立了非饱和膨胀土的裂隙概化模型。明确了裂隙度的概念,将其作为定量指标对非饱和膨胀土的裂隙发育发展程度进行描述。并采用蒙特卡洛方法研究了非饱和膨胀土的随机裂隙网络的数学模拟与自动生成。 然后,进行了非饱和膨胀土的单向浸水膨胀试验,研究得出了单向浸水条件下非饱和膨胀土的膨胀变形随时间发展的规律。提出了利用膨胀时程曲线计算裂隙周围土体的膨胀变形量来确定裂隙随浸水愈合过程的方法。还进行了不同部位的膨胀土反复剪试验和不同裂隙发育程度的膨胀土三轴剪切试验,研究了膨胀土强度随裂隙度及土体饱和度变化而变化的规律,并提出了相应的拟合经验关系式。 最后,在试验的基础上,发展了非饱和土的有效应力原理,建立了膨胀土边坡裂隙网络入渗的数学模型和非饱和裂隙膨胀土固结的数学模型,并编制了相应的有限元程序USFEM和UCFEM。所建立的数学模型充分考虑了裂隙的渗透、变形与强度特性,可以模拟裂隙在水分入渗过程中逐渐愈合的过程。利用有限元方法对非饱和膨胀土边坡的降雨入渗过程进行了数值模拟研究,全面研究了膨胀土边坡中水气运移、强度与变形特征等。程序结果定量描述了不同裂隙分布、不同裂隙发育程度对膨胀土边坡降雨入渗过程的影响,定量描述了裂隙在降雨入渗时的愈合过程,以及边坡土体强度、边坡稳定性随降雨入渗变化的过程。通过对现场情况数值模拟结果的分析,揭示了非饱和裂隙膨胀土边坡降雨入渗的特点,并据此,对膨胀土边坡工程的设计和施工提出了建议。


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