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考虑非饱和非稳定渗流和剪胀性的土坡稳定分析

作　者: 贾苍琴
导　师: 黄茂松；梁国钱
学　校: 同济大学
专　业: 岩土工程
关键词: 非饱和非稳定渗流剪胀性土坡稳定分析极限平衡法强度折减有限元方法
分类号: TU46
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

土坡稳定问题一直是岩土工程界研究的热点，普遍存在于天然边坡、人工边坡、高速公路铁路的路堤以及堤坝、土坝等工程项目中，由于受到水位降落和降雨等复杂因素的影响，很难明确确定边坡的安全系数；另外土体的剪胀性对土体的抗剪强度有较大的影响，而目前边坡稳定分析中只是粗略地考虑剪胀性，这也使得在正确估算土坡的安全系数时存在一定的难度。因此，本文以工程实践中常见的土坡为研究对象，对其稳定分析方法进行了探讨，尤其是对由于水位降落和降雨等引起的非饱和非稳定渗流对土坡稳定造成的影响进行详细的讨论，并对如何在土坡稳定分析中合理考虑土体的剪胀性以及其对土坡稳定的影响程度也进行了深入的研究。本课题的研究成果无论是在理论还是在工程应用上，都具有重大的意义。本文主要的研究工作如下： 1．通过分析现有的砂土临界状态本构模型所存在的缺陷，本文基于临界状态理论和材料状态相关剪胀性理论，建立了一个适用于不同初始密实度的双硬化砂土本构模型。该模型只需采用一组材料参数便可描述不同围压不同密实度下砂土的应力应变关系，对剪切试验过程中表现出来的剪胀剪缩特性也可以进行很好的追踪。通过对Toyoura砂和Hostun砂三轴排水和不排水条件下的试验结果进行验证，表明该模型具有较好的预测能力和比较广泛的适用性。同时对有关本构方程三维应力条件和三轴试验条件下的数值积分方法进行了推导，并以Toyoura砂为例对不同的数值积分方法进行了对比分析。 2．本文采用两种不同的方法对非饱和非稳定渗流的连续性方程进行了分析；详细讨论了水位骤降所引起的非饱和非稳定渗流的土坡稳定性分析的极限平衡法，探讨了非饱和区的存在对土坡稳定性的影响，这其中包括土体非饱和特性对滑动面上有效法向应力的影响、浸润线以上土体重度的影响以及基质吸力对土体抗剪强度的影响，并且通过算例分析了各种因素对水位骤降条件下土坡稳定性的影响，结果表明合理确定土体中孔隙水压力分布以及浸润线的位置对计算结果至关重要；并进一步对降雨造成的非稳定渗流对土坡安全系数的影响进行了初步的分析。

全文目录

中文摘要  6-8
英文摘要  8-14
第一章绪论  14-24
  1.1 引言  14-15
  1.2 考虑非饱和非稳定渗流的土坡稳定分析的极限平衡法  15-16
  1.3 考虑非饱和非稳定渗流的土坡稳定分析的弹塑性有限元方法  16-18
  1.4 考虑土体剪胀性的土坡稳定分析  18-22
    1.4.1 土体的剪胀角与摩擦角  18-19
    1.4.2 基于材料状态相关剪胀性的砂土临界状态本构模型  19-20
    1.4.3 剪胀性用于稳定分析中的研究现状  20-22
  1.5 本文研究目的和研究内容  22-24
    1.5.1 本文研究目的  22
    1.5.2 研究内容  22-24
第二章土坡稳定分析方法  24-43
  2.1 引言  24
  2.2 极限平衡法  24-34
    2.2.1 各种极限平衡法的分析与比较  25-32
    2.2.2 渗流作用下土坡稳定的极限平衡法  32-34
  2.3 极限分析法  34-36
  2.4 弹塑性有限元方法  36-39
  2.5 土坡稳定的渐进破坏分析  39-42
  2.6 小结  42-43
第三章材料状态相关临界状态砂土双硬化本构模型与验证  43-102
  3.1 引言  43
  3.2 粘土临界状态理论的提出以及在砂土中的适用性  43-50
    3.2.1 临界状态理论  43-45
    3.2.2 剑桥模型以及修正剑桥模型  45-47
    3.2.3 临界状态理论在砂土中的适用性  47-50
  3.3 现有的砂土临界状态模型  50-63
    3.3.1 状态参数的研究现状  50-53
    3.3.2 剪胀性的研究现状  53-59
    3.3.3 砂土临界状态模型的研究现状  59-63
  3.4 基于材料状态相关临界状态理论的砂土双硬化弹塑性模型  63-69
    3.4.1 状态参数  63-64
    3.4.2 弹性常数  64
    3.4.3 剪切硬化  64-68
    3.4.4 体变硬化  68-69
  3.5 材料状态相关砂土临界状态本构模型的数值积分  69-86
    3.5.1 显式积分格式  69-77
    3.5.2 隐式积分格式  77-84
    3.5.3 数值积分方法的讨论  84-86
  3.6 模型验证  86-101
    3.6.1 Toyoura砂的试验模拟——单屈服面形式的模型验证  86-89
    3.6.2 双屈服面模型参数的讨论  89-95
    3.6.3 Hostun砂的试验模拟  95-101
  3.7 小结  101-102
第四章考虑非饱和非稳定渗流和剪胀性的土坡稳定分析的极限平衡法  102-131
  4.1 引言  102-103
  4.2 非饱和非稳定渗流的有限单元分析方法  103-109
    4.2.1 非饱和非稳定渗流连续性方程的建立  103-106
    4.2.2 非饱和非稳定渗流的有限单元法  106-108
    4.2.3 非饱和非稳定渗流分析中边界条件和初始条件的处理  108-109
  4.3 考虑非饱和区影响的极限平衡法  109-113
  4.4 基于材料状态相关剪胀性的极限平衡法  113-120
    4.4.1 等效摩擦角的确定  114-115
    4.4.2 摩擦角和剪胀角与状态参数的关系  115-120
  4.5 算例分析  120-129
    4.5.1 算例一: 一个均质土坡  120-122
    4.5.2 算例二: 一个均质土坝  122-124
    4.5.3 逸出边界对边坡稳定计算的影响分析  124-126
    4.5.4 算例三: 降雨入渗对土坡稳定的影响分析  126-128
    4.5.5 算例四: 考虑土体剪胀性对边坡稳定性的影响  128-129
  4.6 小结  129-131
第五章考虑非饱和非稳定渗流和剪胀性的土坡稳定分析的强度折减有限元方法  131-183
  5.1 引言  131-132
  5.2 非饱和土固结理论与数值方法  132-144
    5.2.1 连续性方程的建立  132
    5.2.2 有效应力原理与应力应变关系  132-137
    5.2.3 平衡方程  137
    5.2.4 非饱和土固结方程的建立  137-144
  5.3 非饱和土固结方程的简化形式与有限单元法(不考虑土体变形对渗流场的影响)  144-147
    5.3.1 基于Fredlund提出的双变量理论  144-146
    5.3.2 基于Bishop有效应力原理理论  146-147
  5.4 强度折减有限元方法  147-150
    5.4.1 强度折减技术的基本原理  147-148
    5.4.2 强度折减弹塑性有限元方法  148
    5.4.3 考虑非饱和非稳定渗流的强度折减有限元方法  148-149
    5.4.4 破坏标准的判别与讨论  149-150
  5.5 基于Mohr-Coulomb模型的算例分析  150-180
    5.5.1 干土坝情况——相关联流动法则  151-155
    5.5.2 稳定渗流情况  155-159
    5.5.3 非稳定渗流—坝前水位骤降对其稳定性的影响  159-167
    5.5.4 剪胀性的影响  167-180
  5.6 基于材料状态相关临界状态本构模型的算例分析  180-181
  5.7 小结  181-183
第六章结论与展望  183-186
  6.1 结论  183-184
  6.2 展望  184-186
致谢  186-187
参考文献  187-196
个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果  196-197

考虑非饱和非稳定渗流和剪胀性的土坡稳定分析

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