浅谈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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1、⑧申请同济大学工学博士学位论文考虑非饱和非稳定渗流和剪胀性的土坡稳定分析(国家自然科学基金项目NO．50579051资助)(国家自然科学基金项目NO．10402029资助)培养单位：一级学科：二级学科：研究生：指导教师：副导师：土木工程学院土木工程岩土工程贾苍琴黄茂松教授梁国钱教授级高工二oo六年六月摘要±坡稳定问题一直是岩±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

2、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

3、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Toyollra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T0youra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

4、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．摘要3．本文推导了分别基于Fredlund双应力变量理论和Bishop有效应力原理的非饱和土的固结公式，并分别

5、给出了其简化形式；采用摩尔一库仑屈服准则对土坡稳定性进行强度折减有限元方法数值分析，并针对干土坝和稳定渗流作用下的±坝稳定性进行了一些参数对计算结果的影响分析；对非饱和非稳定渗流作用下的土坝稳定性采用强度折减有限元方法进行了详细的分析，并与传统的极限平衡法的结果进行了对比。分析结果表明强度折减有限元方法是分析非饱和非稳定渗流条件下士坡稳定性的一种比较有效的方法，同时通过与传统极限平衡法结果的比较，指出了两者的区别所在，为工程实践提供了参考依据。4．土体剪胀性对土坡的稳定性存在较大的影响，而在传统的极限平衡法中无法考虑土体的

6、剪胀性，本文以Toyoura砂为例通过基于材料状态相关临界状态的本构模型确定了摩擦角与剪胀角的关系，然后再采用等效摩擦角的方式用于土坡稳定的极限平衡法中，提出了一种基于材料状态相关剪胀性的极限平衡法，并通过算例说明在极限平衡法中考虑剪胀角对正确评价士坡稳定性是很重要的。同时进～步采用强度折减有限元方法和非相关联摩尔一库仑本构模型分析剪胀性对士坡稳定性的影响。并与极限平衡结果进行了对比，虽然二者之间存在一定的差别，但总体也说明了考虑剪胀性对土坡的稳定性还是有必要的。为了更合理地考虑土体剪胀性对土坡稳定分析的影响，文中将基于材

7、料状态相关临界状态的本构模型直接用于土坡稳定的强度折减有限元分析。得到了一些初步的结论。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，强度拆减有限元方法IIABSTRACl．ABSTRACTSlopestabilityproblems,勰oneoftheprimeConceTnsofgeotechnicalengineering,arecommonlyencounteredintheseprojects，suchasnaturalsoilslopes，excavatedslopes。roadsubgrades

8、。embankments，earthdams，andSOon．Itistoodifficulttodeterminedefinltelythesafetyfactorofsoilslopessubjectedtothefluctuationofwaterlevelorrainfall．Dilatancy