非飽和膨脹土邊坡裂縫的數(shù)值模擬

非飽和膨脹土邊坡裂縫的數(shù)值模擬

1干法循環(huán)影響膨脹土邊坡土體的穩(wěn)定性許多計(jì)算和分析認(rèn)為，隨著時間的推移，這種穩(wěn)定的新開挖和膨脹土壤的傾斜角度會發(fā)生很大的變形，并遭受損失。作者針對這一問題曾利用離心模型試驗(yàn)開展過較為深入的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)是導(dǎo)致這一問題產(chǎn)生的原因。干濕循環(huán)使得膨脹土邊坡產(chǎn)生裂縫,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,裂縫逐漸變寬變深。裂縫的存在不僅削弱了膨脹土邊坡土體的結(jié)構(gòu),而且為水的入滲提供了通道,從而使土體軟化,強(qiáng)度降低。每次干濕循環(huán),膨脹土邊坡均積累了順坡向的沉降和水平位移,隨著干濕循環(huán)的次數(shù)的增加,不論邊坡土體密度高低,最終都將導(dǎo)致膨脹土邊坡的漸進(jìn)破壞。國內(nèi)外對干濕循環(huán)影響膨脹土特性已有研究,但迄今為止用數(shù)值模擬方法對膨脹土邊坡的變形與穩(wěn)定性分析通常沒有考慮干濕循環(huán)的影響。本文利用沈珠江非飽和土簡化固結(jié)理論,采用假定排氣率和滲透系數(shù)的簡化方法,對膨脹土邊坡在干濕循環(huán)作用下的變形發(fā)展過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬結(jié)果和離心模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,為研究膨脹土邊坡在干濕循環(huán)作用下的變形發(fā)展過程提供一種新的方法。2測定方法用非飽和土固結(jié)理論解決實(shí)際工程問題時的主要難題是孔隙氣壓力的計(jì)算。眾所周知,在氣連通條件下,孔隙氣壓力等于大氣壓力是可以接受的,但有時也可能發(fā)生排氣邊界被堵塞的情況,如大雨時土面被雨水覆蓋,孔隙氣體難以從土中排出,從而導(dǎo)致孔隙氣壓力在土體中的累積。邊坡中孔隙氣壓力的存在將對邊坡變形和穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響,但此時如果將土面當(dāng)作不排氣面處理也不盡合理,因?yàn)榭紫稓饪赡芤悦芭莸男问脚懦鲆徊糠?。為?文獻(xiàn)采用人為假定排氣率ξ的辦法對非飽和土固結(jié)理論進(jìn)行了簡化,首先定義孔隙含氣率如下:na=[1?(1?ch)Sr]n(1)na=[1-(1-ch)Sr]n(1)式中:n為孔隙率;ch為Henry溶解系數(shù),一般可取為0.02;Sr為飽和度。在部分排氣條件下,假設(shè)單位時間內(nèi)的排氣量為Δqa,并定義排氣率如下:ξ=Δqaρa(bǔ)Δna(2)ξ=Δqaρa(bǔ)Δna(2)式中:ρa(bǔ)=ρa(bǔ)0(1+ua/pa),ua為孔隙氣壓力,pa為大氣壓力。將Boyle定律代入孔隙氣連續(xù)方程可得孔隙氣壓力的增量計(jì)算公式如下:Δua=?pa+uana(1?ξ)Δna(3)Δua=-pa+uana(1-ξ)Δna(3)上述方法雖然帶有一定經(jīng)驗(yàn)性,但采用該方法只需將現(xiàn)有的飽和土固結(jié)理論稍作修改便可用于非飽和土的計(jì)算分析,從而可將非飽和土固結(jié)理論用于解決實(shí)際問題。本構(gòu)模型采用沈珠江建議的雙硬化屈服面F(σ,εpv,εps)=σm1?[ηα(εps)]m?p(εpv)(4)F(σ,εvp,εsp)=σm1-[ηα(εsp)]m-p(εvp)(4)式中:σm=13(σ1+σ2+σ3)σm=13(σ1+σ2+σ3);η=12√[(σ1?σ2σ1+σ2)2+(σ2?σ3σ2+σ3)2+(σ3?σ1σ3+σ1)2]12η=12[(σ1-σ2σ1+σ2)2+(σ2-σ3σ2+σ3)2+(σ3-σ1σ3+σ1)2]12;m為屈服面的形狀參數(shù),取m=1.2時屈服面形狀將與橢圓面接近;p和α為2個硬化參數(shù),分別隨塑性體應(yīng)變εpv和塑性剪應(yīng)變εps的積累而硬化,并分別采用下列硬化規(guī)律:p=p0exp(εpvcc?ce)(5)α=αm?(αm?α0)exp(εpsca)(6)p=p0exp(εvpcc-ce)(5)α=αm-(αm-α0)exp(εspca)(6)式中:cc和ce為膨脹土的壓縮和回彈曲線的斜率;p0為塑性體應(yīng)變?yōu)?時的參考壓力。根據(jù)作者的非飽和膨脹土三軸試驗(yàn)結(jié)果,不同干密度下非飽和膨脹土的有效內(nèi)摩擦角φ′幾乎相同,而有效凝聚力c′隨著干密度的增大明顯增大,如果沿用αm=1+m?????√m?sinφ′αm=1+mm?sinφ′,不考慮c′的影響,顯然不盡合理,建議進(jìn)行如下修正,取αm=1+m?????√m?sinφ′+sinφ′′2?χm?1(7)αm=1+mm?sinφ′+sinφ″2?χm-1(7)式中:sinφ′′=σ3sinφ′+c′?cosφ′σ3+c′?cosφ′sinφ″=σ3sinφ′+c′?cosφ′σ3+c′?cosφ′;χ=(sse)?m2?sχ=(sse)-m2?s為吸力,se為進(jìn)氣壓力;α0和ca為通過三軸實(shí)驗(yàn)測定的另外兩個參數(shù),通?？扇ˇ?=cm·αm。離心模型試驗(yàn)研究表明,非飽和膨脹土的干濕循環(huán)過程也是其裂縫張開和部分閉合的過程。目前要采用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)力學(xué)方法模擬這一過程還相當(dāng)困難。本文采用調(diào)整滲透系數(shù)k和排氣率ξ的方法來近似模擬這一過程,具體辦法為:在非飽和膨脹土的干縮過程,當(dāng)土體水平應(yīng)力小于0時,將產(chǎn)生裂縫,此時將已產(chǎn)生裂縫土體的滲透系數(shù)k放大100倍,相應(yīng)土體的排氣率ξ取為1,表示開裂土體完全排氣。而非飽和膨脹土經(jīng)受濕化過程時,部分寬度不大的裂縫將基本閉合,寬度較大的裂縫(該類裂縫自土表層隨著深度的加大逐漸變窄)在深度較大部位也發(fā)生閉合,只是表層裂縫較寬,難以完全閉合。此時,將裂縫沒有閉合土體的滲透系數(shù)放大100倍,相應(yīng)土體的排氣率ξ取為1。對于裂縫已閉合的土體與未開裂土體之間的滲透系數(shù)從頂部的放大100倍線性遞減至1倍,排氣率ξ則從1.0線性遞減至0.6。對于未開裂的土體滲透系數(shù)不變,排氣率取為0.6。計(jì)算中,非飽和膨脹土的有效應(yīng)力、水分特征曲線、滲透系數(shù)與文獻(xiàn)相同,在此不再贅述。3數(shù)值模型結(jié)果分析作者曾采用新疆中等膨脹性的膨脹土在南京水利科學(xué)研究院的NHRI-89型土工離心機(jī)上進(jìn)行過干濕循環(huán)條件下膨脹土邊坡變形和穩(wěn)定性試驗(yàn)研究,模型土坡的坡比為1∶2,初始干密度1.60g/cm3,初始含水率為20%。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),初始狀態(tài)下模型土坡有較高的穩(wěn)定性,經(jīng)歷干濕循環(huán)試驗(yàn)后,穩(wěn)定性明顯降低,在經(jīng)歷3次干濕循環(huán)發(fā)生淺層破壞。模型在經(jīng)歷1次干濕循環(huán)、2次干濕循環(huán)和3次干濕循環(huán)后坡頂最大沉降分別為坡高的0.31%、0.42%和0.48%,折合成原型邊坡其沉降量分別為4.3cm、5.9cm和6.7cm;而坡體最大水平位移分別為坡高的2.1%、2.7%和2.9%,折合成原型分別為29.4cm、37.8cm和40.6cm,邊坡破壞時模型的含水率等值線見圖1,詳見文獻(xiàn)。將前述數(shù)值模擬方法結(jié)合南京水利科學(xué)研究院編制的非飽和土邊坡計(jì)算程序-UNSATS,對文獻(xiàn)的離心模型試驗(yàn)邊坡干濕循環(huán)條件下的變形發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算分析。單元網(wǎng)格劃分見圖2。模型參數(shù)和計(jì)算參數(shù)根據(jù)控制吸力的非飽和膨脹土試驗(yàn)并參照相關(guān)經(jīng)驗(yàn)選取,見表1?？紤]到水的入滲速度一般大于蒸發(fā)速度,因此數(shù)值計(jì)算中干縮階段的滲透系數(shù)將近似地取為濕化階段的一半。干濕循環(huán)過程通過邊界水量的變化進(jìn)行模擬。圖3是吸力為50kPa與100kPa時的非飽和膨脹土三軸試驗(yàn)結(jié)果與根據(jù)表1參數(shù)計(jì)算得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線的對比。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,繪出了每次干濕循環(huán)結(jié)束后的水平位移等值線圖和垂直位移等值線圖以及試驗(yàn)結(jié)束后的飽和度等值線圖,見圖4～圖6。計(jì)算結(jié)果表明,膨脹土邊坡在經(jīng)歷干濕循環(huán)后,坡頂發(fā)生沉降,坡底隆起,與離心模型試驗(yàn)的結(jié)果一致。由圖4可見,第2次、第3次干濕循環(huán)與第1次干濕循環(huán)相比水平位移在5cm以下的區(qū)域變化不大,說明干濕循環(huán)對邊坡深處的位移積累影響不大。而在7.5cm以上的區(qū)域(基本在坡面以下)水平位移均增大了不少,靠近坡面位移變化幅度則更大,表明膨脹土邊坡滑動是淺層性的。每次干濕循環(huán)后,10cm水平位移等值線都往坡中推進(jìn),范圍在逐漸擴(kuò)大。說明每次干濕循環(huán)均積累順坡向的變形,邊坡破壞是漸進(jìn)性的。計(jì)算得出模型土坡在經(jīng)歷1次干濕循環(huán)、2次干濕循環(huán)和3次干濕循環(huán)后坡頂最大沉降量分別為7.8cm、10.4cm和11.7cm,最大水平位移分別為25.4cm、31.3cm和36.6cm,與離心模型試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)接近,計(jì)算得出的垂直位移偏大,而水平位移偏小。計(jì)算得到的3次干濕循環(huán)結(jié)束后飽和度等值線(圖1)與離心模型試驗(yàn)結(jié)束后測量的含水率等值線(圖6)大體相同。表明本文的計(jì)算結(jié)果是可靠的。4干循環(huán)條件下膨脹土邊坡變形發(fā)展規(guī)律模擬的展望基于上述數(shù)值模擬和離心模型試驗(yàn)結(jié)果比較分析,可以得出以下結(jié)論和建議:(1)膨脹土邊坡的變形和破壞表現(xiàn)為淺層性和漸進(jìn)性,干濕循環(huán)是導(dǎo)致這一現(xiàn)象發(fā)生的主要原因;(2)本文建議的數(shù)值模擬方法可以模擬干濕循環(huán)條件下膨脹土邊坡變形的發(fā)展規(guī)律,盡管這一方法尚需進(jìn)一步完善,但仍可為研究干濕循環(huán)條件下膨脹土邊坡變形發(fā)展規(guī)律提供