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非饱和膨胀土的本构模型及在边坡稳定性评价中的应用

吴礼舟  
【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。


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