非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析

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1、非饱和—饱和状态变化条件下土质边坡稳定性分析第1章绪论1.1研究背景及意义非饱和土是当今国内外土力学研究的热点和难点。其中边坡失稳是非饱和土各种灾害中最常见的形式之一[1]。众所周知，非饱和土边坡失稳是一种斜坡变形现象。边坡失稳现象无论在人工开挖的边坡还是自然斜坡都十分普遍，对人类的生命和财产造成严重的灾害。完善非饱和土边坡稳定性理论已然成为一种必然的趋势，同时非饱和土质边坡工程中的问题一直是工程施工中亟待解决的重点问题[2]。随着非饱和土工程问题愈加突显，越来越有必要对非饱和土的理论进行更全面的探索与研究。许多外界环境都会导致滑坡现象，其中最主要的外界环境是雨水。雨水的渗透

2、会引起边坡土体的含水量改变[3]。Terzaghi和Peck在解决岩土工程状况时，提出了预估挖方稳定和支撑荷载大小的总应力法。Bjerru和Eide在工程挖方中进行了现场数据监测。随后，各个国家的相关工程的设计和施工法规相继出现。经过这些工程实践经验积累和理论研究，基坑工程设计的可靠性得到明显的提高[4]。非饱和土是一种三相土，即由固相、液相、气相所组成[5]。非饱和土的复杂特性是由于内部赋存的基质吸力，基质吸力与土体的抗剪强度紧密相关，由于降雨等原因使土体的含水量发生变化，导致土体的基质吸力发生改变，最终土体抗剪强度发生改变。基质吸力的产生原因使由于微观下土颗粒间土中三相之

3、间的相互作用产生的压力，其值等于孔隙气压减去孔隙水压[6]。非饱和土性质复杂的主要原因是由于土体中存在的气相及气、水形态随土的含水率的转换。通过研究非饱和土的气、水形态以及运动规律描述非饱和土的力学特性，将非饱和土的客观特性和各相之间的细观现象相联系一起，最终可以达到定量的描述非饱和土强度、变形等客观规律的目的。所以，研究降雨等原因导致的边坡非饱和-饱和状态变化对于边坡工程的意义十分重大。.......1.2国内外研究现状早在20世纪初期，主要通过研究土中毛细流动问题来分析非饱和土，但是这种研究具有一定的局限性。第一届国际土力学与基础工程会议是非饱和土力学的基本原理的开始成形

4、的标志，会议中提出的非饱和土原理和公式对现在的研究起着决定性指导作用[7]。但此时并没有出现比较完整的非饱和土的公式。到20世纪50年代前，当时对非饱和土给予最多关注的是毛细水的流动问题，这是远远不够的。为了更加详细研究非饱和土理论，建立各相关理论相结合的较完善的非饱和土理论体系愈加重要[8]。重温太沙基在20世纪60年前所提出的经典土力学定义，获得非饱和土力学定义的一些启示。20世纪60~80年代开始，人们联想，找到一个决定非饱和土变形和强度的有效应力[4]。因为饱和土研究理论的已经基本完善，在饱和土力学理论基础上，相继出现了非饱和土的各种应用理论，其中Bishop和Fre

5、dlund的研究成果被人们广泛应用。随后，越来越多的学者开始研究非饱和土的理论。Alonso和Lloret对非饱和土在不排水加荷条件下的性状进行分析，提出了若干线性与非线性函数描述了非饱和土在K和各向等压加荷条件下的本构面和土的弹塑性本构模型，即为著名的Barcelona模型；asonrymodel)[12]。武文华、李锡夔提出非饱和土的热-水力-力学本构模型[13]。目前非饱和土的探索处于初级阶段，对于非饱和土并没有形成比较完善且通用的一套理论。因此，工程中所遇到的各种问题无法给出非常合理的解决方案。.......第2章土体非饱和状态研究的基本理论2.1土中吸力理论非饱和土

6、中的应力与饱和土中的应力状态是截然不同的。非饱和土是由固体（土颗粒）、液体（孔隙水）、气体（孔隙气体）组成的三相体系，而饱和土是由固体与液体（即液态饱和系统中的土颗粒与孔隙水）、或固体与气体（即气态饱和或完全干燥系统中的土颗粒与孔隙气体）组成的二相体系[35]。非饱和土中孔隙气相与孔隙水相的相对量以及相应的压力大小，对作用于土体颗粒之间的应力状态有着直接的影响，进而影响土体的宏观力学行为（例如抗剪强度、体积变化等）。诸如降水或蒸发等自然界变化过程，或者灌溉、对边界条件强加改变（如水位降低）等人为活动都会使孔隙水和孔隙气的相对量发生改变，都直接影响着土体系统的应力状态和物理性质

7、等。深入理解这种影响作用，对非饱和土的岩土工程设计与施工是至关重要的。前期研究表明，饱和状态的土体且孔隙水压力为压应力时，水压的净效应是降低土体的有效应力。与此相反，当土体相对较干时，孔隙中的水可能呈现出很高的负孔隙压力，由此产生的抗拉应力将引起有效应力增加，是土颗粒相互集中在一起[36]。干燥土和饱和土的颗粒间应力，可以用多种太沙基经典有效应力公式的扩展式来解释，改进后的公式考虑了负空隙水压力的影响。......2.2基质吸力的应力张量土体在完全干燥的情况下，其应力状态的控制变量为每个坐标方向上的总主