非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定分析方法2013

1、西安理工大學(xué)巖土所西安理工大學(xué)巖土所 李榮建李榮建非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定分析方法非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定分析方法 報(bào)告人：報(bào)告人： 李榮建李榮建 劉軍定劉軍定2013.10.132013.10.13 西安理工大學(xué)西安理工大學(xué) 巖土工程研究所巖土工程研究所西安理工大學(xué)巖土所西安理工大學(xué)巖土所 李榮建李榮建報(bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容 研究研究背景背景 非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)現(xiàn)思路非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)現(xiàn)思路 計(jì)算分析計(jì)算分析 結(jié)論結(jié)論西安理工大學(xué)巖土所西安理工大學(xué)巖土所 李榮建李榮建中西部地區(qū)復(fù)雜多變的地形、地貌決定了中西部地區(qū)復(fù)雜多變的地形、地貌決定了大量邊坡工程。大量邊坡工程。研究背研究背景景工程

2、中又經(jīng)常面臨大量的非飽和膨脹土邊工程中又經(jīng)常面臨大量的非飽和膨脹土邊 坡的穩(wěn)定問(wèn)題。坡的穩(wěn)定問(wèn)題。非飽和土邊坡中基質(zhì)吸力的非飽和土邊坡中基質(zhì)吸力的時(shí)空分布時(shí)空分布是非是非常復(fù)雜，測(cè)試常復(fù)雜，測(cè)試時(shí)間冗長(zhǎng)時(shí)間冗長(zhǎng)，技術(shù)，技術(shù)復(fù)雜、繁瑣復(fù)雜、繁瑣。有必要采用一種更合理的邊坡穩(wěn)定分析方法。有必要采用一種更合理的邊坡穩(wěn)定分析方法。 西安理工大學(xué)巖土所西安理工大學(xué)巖土所 李榮建李榮建方法方法優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)極限平衡法極限平衡法1.理論簡(jiǎn)單，易于工程應(yīng)用2.積累了豐富的經(jīng)驗(yàn) 3.計(jì)算程序容易實(shí)現(xiàn)1.不能考慮復(fù)雜土本構(gòu)關(guān)系2.多層土?xí)r分析較為復(fù)雜3.需搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面普通有限元普通有限元法法1.可考慮土的本

3、構(gòu)關(guān)系2.可以計(jì)算非均質(zhì)材料3.能給出坡體應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)1.前處理工作量大2.分析邊坡臨界狀態(tài)困難3.需要假定臨界滑動(dòng)面強(qiáng)度折減有強(qiáng)度折減有限元法限元法1.可根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件進(jìn)行土體內(nèi)的應(yīng)力調(diào)整2.能某種程度模擬邊坡破壞3.不需要假定滑裂面形狀4.可分析各種復(fù)雜情況1.前處理工作量大2.安全系數(shù)取值并不統(tǒng)一， 如三種破壞判別準(zhǔn)則 3.后處理形式多樣不統(tǒng)一工程中邊坡穩(wěn)定性分析中，不得不根據(jù)具體工程中邊坡穩(wěn)定性分析中，不得不根據(jù)具體情況選用合適的方法，每一種方法都有缺點(diǎn)。情況選用合適的方法，每一種方法都有缺點(diǎn)。西安理工大學(xué)巖土所西安理工大學(xué)巖土所 李榮建李榮建 ()tan1()tan2()()tan

4、tatann)tan34()5awfafawafasssscucucuuumpAwuwupAwPu非飽和土強(qiáng)度主要有非飽和土強(qiáng)度主要有Bishop單值有效應(yīng)力強(qiáng)度和單值有效應(yīng)力強(qiáng)度和Fredlund雙應(yīng)雙應(yīng)力變量的強(qiáng)度理論力變量的強(qiáng)度理論 。u盧肇鈞提出的非飽和土抗剪強(qiáng)度理論盧肇鈞提出的非飽和土抗剪強(qiáng)度理論 ，通過(guò)膨脹力間接考慮通過(guò)膨脹力間接考慮了基質(zhì)吸力的宏觀貢獻(xiàn)了基質(zhì)吸力的宏觀貢獻(xiàn)，緣起緣起測(cè)定吸力及其參數(shù)的麻煩測(cè)定吸力及其參數(shù)的麻煩。 u基于盧肇鈞非飽和土強(qiáng)度開(kāi)發(fā)相應(yīng)的基于盧肇鈞非飽和土強(qiáng)度開(kāi)發(fā)相應(yīng)的強(qiáng)度折減有限元算法強(qiáng)度折減有限元算法程序。程序。非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)現(xiàn)思路非飽和

5、膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)現(xiàn)思路西安理工大學(xué)巖土所西安理工大學(xué)巖土所 李榮建李榮建u非飽和膨脹土的含水量從非飽和膨脹土的含水量從w w1 1增加到增加到w w2 2，就會(huì)產(chǎn)生膨脹力（，就會(huì)產(chǎn)生膨脹力（常常規(guī)意義上的膨脹規(guī)意義上的膨脹力力）。）。u保持土體積不變，當(dāng)非飽和膨脹土的含水量從保持土體積不變，當(dāng)非飽和膨脹土的含水量從w w1 1增加到增加到飽和飽和含水量含水量時(shí)，此時(shí)，此時(shí)膨時(shí)膨脹力才脹力才是本文定是本文定義義的的吸吸力等效膨力等效膨脹力脹力。吸吸力力等效膨脹力等效膨脹力特指特指試樣試樣浸水浸水飽和、且保飽和、且保持土體體積為常量持土體體積為常量時(shí)測(cè)得時(shí)測(cè)得的最大膨脹力。的最大膨脹力。u實(shí)

6、實(shí)質(zhì)質(zhì)就通過(guò)測(cè)就通過(guò)測(cè)定吸定吸力等力等效膨效膨脹力脹力間接間接地考慮基質(zhì)吸力對(duì)土體地考慮基質(zhì)吸力對(duì)土體強(qiáng)度強(qiáng)度的宏觀貢的宏觀貢獻(xiàn)。獻(xiàn)。 u 本文開(kāi)發(fā)的強(qiáng)度折減有限元程序，引入吸力等效膨脹力，在本文開(kāi)發(fā)的強(qiáng)度折減有限元程序，引入吸力等效膨脹力，在理論上可行理論上可行且更為合且更為合理。理。非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)現(xiàn)思路非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)現(xiàn)思路西安理工大學(xué)巖土所西安理工大學(xué)巖土所 李榮建李榮建v 抗剪強(qiáng)度以折減系數(shù)抗剪強(qiáng)度以折減系數(shù)F F進(jìn)行折減進(jìn)行折減v 邊坡達(dá)臨界破壞狀態(tài)時(shí)的折減邊坡達(dá)臨界破壞狀態(tài)時(shí)的折減系數(shù)系數(shù)F F即為邊坡的整體安全系數(shù)即為邊坡的整體安全系數(shù)v 破壞時(shí)的滑動(dòng)面

7、用最大剪應(yīng)變破壞時(shí)的滑動(dòng)面用最大剪應(yīng)變?cè)隽康牡戎稻€或位移增量等值增量的等值線或位移增量等值線來(lái)確定線來(lái)確定/fc FtanF非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)現(xiàn)思路非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)現(xiàn)思路西安理工大學(xué)巖土所西安理工大學(xué)巖土所 李榮建李榮建等傾線A2-uaB3-ua1-ua B B點(diǎn)為綜合考點(diǎn)為綜合考A A點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)和吸力等效膨脹力的新有效應(yīng)力狀態(tài)點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)和吸力等效膨脹力的新有效應(yīng)力狀態(tài)A A點(diǎn)代點(diǎn)代表參照的表參照的有效應(yīng)力狀態(tài)有效應(yīng)力狀態(tài)非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)現(xiàn)思路非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)現(xiàn)思路西安理工大學(xué)巖土所西安理工大學(xué)巖土所 李榮建李榮建u隨著含水量的增加，基質(zhì)隨著含水量

8、的增加，基質(zhì)吸力減小吸力減小，常規(guī)意義上的，常規(guī)意義上的膨脹力增大膨脹力增大，是對(duì)是對(duì)同一個(gè)過(guò)程同一個(gè)過(guò)程，不同階段而言的，不同階段而言的 。u隨著含水量的增加，基質(zhì)隨著含水量的增加，基質(zhì)吸力減小吸力減小，吸力等效，吸力等效膨脹力減小膨脹力減小，是，是對(duì)不同含水量對(duì)不同含水量分別分別增加至飽和含水量時(shí)的增加至飽和含水量時(shí)的一系列過(guò)程一系列過(guò)程而言的。而言的。基質(zhì)吸力為基質(zhì)吸力為S初始含水量初始含水量飽和含水量飽和含水量膨脹力為膨脹力為0膨脹力膨脹力基質(zhì)吸力為基質(zhì)吸力為0spsspw此過(guò)程涉及膨脹土邊坡的此過(guò)程涉及膨脹土邊坡的2種狀態(tài)之間的關(guān)系。種狀態(tài)之間的關(guān)系。非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)現(xiàn)思

9、路非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)現(xiàn)思路西安理工大學(xué)巖土所西安理工大學(xué)巖土所 李榮建李榮建(-)awuumAw盧肇盧肇鈞的吸鈞的吸附強(qiáng)度附強(qiáng)度 tanssmp(-)awsuump()sspA ww程序驗(yàn)證算例程序驗(yàn)證算例非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)現(xiàn)思路非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)現(xiàn)思路西安理工大學(xué)巖土所西安理工大學(xué)巖土所 李榮建李榮建 參數(shù)參數(shù) 土層土層 彈性彈性模量模量MPaMPa泊松比泊松比容重容重kN/mkN/m3 3/kPa/kPa A Am m水位線上水位線上19190.30.319.0819.083232171712120.6950.6954 40.73150.73151.70911

10、.70911.4241.424水位線下水位線下17170.30.39.649.643232171717171.01.00.73150.73151.70911.70911.4241.424/c某邊坡 坡度為45o 單元為數(shù)526 結(jié)點(diǎn)數(shù)為582非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析西安理工大學(xué)巖土所西安理工大學(xué)巖土所 李榮建李榮建工況工況工況說(shuō)明工況說(shuō)明計(jì)算方法計(jì)算方法安全系安全系數(shù)數(shù)工況工況1 1工況工況1-11-1基質(zhì)吸力非均勻分布基質(zhì)吸力非均勻分布基于基于BishopBishop單值有效應(yīng)力的單值有效應(yīng)力的強(qiáng)度強(qiáng)度1.3051.305工況工況1-21-2基質(zhì)吸力非均勻

11、分布基質(zhì)吸力非均勻分布基于基于FredlundFredlund雙應(yīng)力變量的雙應(yīng)力變量的強(qiáng)度強(qiáng)度1.3001.300工況工況1-31-3吸力等效膨脹力非均吸力等效膨脹力非均勻分布勻分布基于盧肇鈞的非飽和土強(qiáng)度基于盧肇鈞的非飽和土強(qiáng)度公式公式1.3001.300工況工況2 2不考慮基質(zhì)吸力不考慮基質(zhì)吸力強(qiáng)度折減有限元強(qiáng)度折減有限元1.1701.1702030405060708090Frame 001 22 Dec 2005 ALL3436384042444648505254Frame 001 17 Jun2010 工況工況1-1 Bishop1-1 Bishop法法工況工況1 1含水量等值線圖含水

12、量等值線圖工況工況1 1吸力等值線圖（吸力等值線圖（kPa)kPa)工況工況1-3 1-3 盧肇鈞法盧肇鈞法西安理工大學(xué)巖土所西安理工大學(xué)巖土所 李榮建李榮建本文所提的非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定分析方法在理論上、本文所提的非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定分析方法在理論上、數(shù)值實(shí)現(xiàn)上都是比較可行和易于實(shí)現(xiàn)的。數(shù)值實(shí)現(xiàn)上都是比較可行和易于實(shí)現(xiàn)的。結(jié)結(jié) 論論可以避開(kāi)基質(zhì)吸力的技術(shù)復(fù)雜和時(shí)間冗長(zhǎng)的測(cè)試，為可以避開(kāi)基質(zhì)吸力的技術(shù)復(fù)雜和時(shí)間冗長(zhǎng)的測(cè)試，為非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定分析提供更可靠的分析方法非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定分析提供更可靠的分析方法。基于吸力等效膨脹力的強(qiáng)度折減有限元法具有其獨(dú)特基于吸力等效膨脹力的強(qiáng)度折減有限元法

13、具有其獨(dú)特的優(yōu)越性的優(yōu)越性，為涉及非飽和特性的膨脹土為涉及非飽和特性的膨脹土 “ “三性三性”的的分析提供一種可以借鑒的方法。分析提供一種可以借鑒的方法。配套的膨脹力測(cè)試方法與應(yīng)用簡(jiǎn)介配套的膨脹力測(cè)試方法與應(yīng)用簡(jiǎn)介.SCI : 178UZA new practicable approach to stability analysis of unsaturated expansive soil slope解決解決-吸力等效膨脹力吸力等效膨脹力是是試樣試樣浸水飽和且保持土體體積為常量浸水飽和且保持土體體積為常量時(shí)測(cè)得的最大膨脹力時(shí)測(cè)得的最大膨脹力西安理工大學(xué)巖土所西安理工大學(xué)巖土所 李榮建李榮建真空飽和系統(tǒng)量測(cè)采集系統(tǒng)膨脹力儀器膨脹力試驗(yàn)儀器測(cè)試-發(fā)明專(zhuān)利西安理工大學(xué)巖土所西安理工大學(xué)巖土所 李榮建李榮建連接抽真空系統(tǒng)連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)56171813191298202123242728303216383211447353