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)定性許多計算和分析認為，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開展過較為深入的試驗研究,發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)是導致這一問題產(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構,而且為水的入滲提供了通道,從而使土體軟化,強度降低。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,最終都將導致膨脹土邊坡的漸進破壞。國內外對干濕循環(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)展過程進行數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬結果和離心模型試驗結果進行比較,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理論解決實際工程問題時的主要難題是孔隙氣壓力的計算。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作不排氣面處理也不盡合理,因為孔隙氣可能以冒泡的形式排出一部分。為此,文獻采用人為假定排氣率ξ的辦法對非飽和土固結理論進行了簡化,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,假設單位時間內的排氣量為Δqa,并定義排氣率如下:ξ=ΔqaρaΔna(2)ξ=ΔqaρaΔna(2)式中:ρa=ρa0(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)驗性,但采用該方法只需將現(xiàn)有的飽和土固結理論稍作修改便可用于非飽和土的計算分析,從而可將非飽和土固結理論用于解決實際問題。本構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),分別隨塑性體應變εpv和塑性剪應變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為塑性體應變?yōu)?時的參考壓力。根據(jù)作者的非飽和膨脹土三軸試驗結果,不同干密度下非飽和膨脹土的有效內摩擦角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為進氣壓力;α0和ca為通過三軸實驗測定的另外兩個參數(shù),通?？扇ˇ?=cm·αm。離心模型試驗研究表明,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。目前要采用嚴密的數(shù)學力學方法模擬這一過程還相當困難。本文采用調整滲透系數(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,當土體水平應力小于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。計算中,非飽和膨脹土的有效應力、水分特征曲線、滲透系數(shù)與文獻相同,在此不再贅述。3數(shù)值模型結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研究院的NHRI-89型土工離心機上進行過干濕循環(huán)條件下膨脹土邊坡變形和穩(wěn)定性試驗研究,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。將前述數(shù)值模擬方法結合南京水利科學研究院編制的非飽和土邊坡計算程序-UNSATS,對文獻的離心模型試驗邊坡干濕循環(huán)條件下的變形發(fā)展規(guī)律進行了計算分析。單元網(wǎng)格劃分見圖2。模型參數(shù)和計算參數(shù)根據(jù)控制吸力的非飽和膨脹土試驗并參照相關經(jīng)驗選取,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行模擬。圖3是吸力為50kPa與100kPa時的非飽和膨脹土三軸試驗結果與根據(jù)表1參數(shù)計算得到的應力應變曲線的對比。根據(jù)數(shù)值模擬計算結果,繪出了每次干濕循環(huán)結束后的水平位移等值線圖和垂直位移等值線圖以及試驗結束后的飽和度等值線圖,見圖4～圖6。計算結果表明,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,與離心模型試驗的結果一致。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,范圍在逐漸擴大。說明每次干濕循環(huán)均積累順坡向的變形,邊坡破壞是漸進性的。計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,與離心模型試驗結果相當接近,計算得出的垂直位移偏大,而水平位移偏小。計算得到的3次干濕循環(huán)結束后飽和度等值線(圖1)與離心模型試驗結束后測量的含水率等值線(圖6)大體相同。表明本文的計算結果是可靠的。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結果比較分析,可以得出以下結論和建議:(1)膨脹土邊坡的變形和破壞表現(xiàn)為淺層性和漸進性,干濕循環(huán)是導致這一現(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