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1、第3期水利水运工程学报No.32004年9月HYDRO2SCIENCEANDENGINEERINGSep.2004膨胀土渠道边坡降雨入渗和变形耦合分析1,21沈珠江,米占宽(1.南京水利科学研究院,江苏南京 210029;2.清华大学水利水电工程系,北京 100084)摘要:应用非饱和土简化固结理论,模拟枣阳膨胀土渠道边坡在人工降雨过程中孔隙压力变化和变形的发展过程,数值计算结果在定性上与实际观测资料一致.关 键 词:渠道边坡;雨水入渗;非饱和土;固结理论;数值模拟中图分类号:TU443 文献标识码:A 文章编号:
2、1009-640X(2004)03-0007-05Coupledanalysesofseepageanddeformationofexpansivesoilslopesduringrainfall1,21SHENZhu2jiang,MIZhan2kuan(1.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China;2.DepartmentofHydraulicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:
3、ThedevelopmentoftheporepressureanddeformationofacanalslopeexcavatedinunsaturatedexpansivesoilinZaoyangCityduringartificialrainfallsissimulatedbyuseofthesimplifiedconsolidationtheoryofunsaturatedsoil.Thecomputedresultsarequalitativelyagreeabletotheobserveddata.Keyword
4、s:sideslopesofcanal;raininfiltration;unsaturatedsoil;consolidationtheory;numericalsimulation降雨入渗常使膨胀土边坡发生滑坡.迄今为止,多数已发表的有关论文只对降雨入渗过程进行渗流分[1-3]析.实际上,膨胀土是一种非饱和土,降雨过程中因吸水膨胀而软化,吸力丧失引起的变形和强度降低是造成滑坡的一个关键因素.因此,对膨胀土滑坡问题应进行渗流和变形的耦合分析.20世纪90年代初,已[4]形成对非饱和土进行渗流和变形耦合分析的理论,即非饱和土固结
5、理论的基本框架.文献[5]曾运用这一理论分析雨中滑坡发现,如果计算中不考虑孔隙气压力的影响,结果将偏于不安全.但是,同时考虑孔隙水压力和孔隙气压力的固结计算过于复杂,故这一研究思路尚未能得到普遍应用.为了促进非饱和土固结理论在[6]实际中的应用,本文第一作者提出了非饱和土简化固结理论,并运用这一理论对枣阳膨胀土渠道边坡人[7,8]工降雨试验段的试验过程进行数值模拟,以验证该理论的可靠性和实用性.1 试验场地和试验过程简介膨胀土渠道边坡人工降雨试验段位于枣阳境内大冈浦二级泵站的引渠上.1970年,渠道挖深约13m,坡收稿日期:20
6、04-04-20 基金项目:国家自然科学基金资助项目(5997909) 作者简介:沈珠江(1933-),男,浙江慈溪人,教授,中国科学院院士,主要从事岩土力学基本理论、本构模型及土石坝和 软土地基工程研究.©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.8水利水运工程学报2004年9月角22°.开挖以后曾多次发生浅层滑坡.边坡的土质大体上是均一的黄褐色膨胀土(含铁结石和钙结石,局部含薄层灰色黏土).塑限wp=19.5%,塑性指数Ip=30%,
7、天然含水量w=20%(略高于塑限),干密度ρd=31.5～1.62g/cm.侧胀仪测得土的侧压力系数K0=2.5～1.0,并随深度增加而降低。土中矿物蒙脱石的含量为21%.颗粒成分:砂3%,粉土58%,黏粒39%.渠道土的进气压力为5kPa,自由膨胀率为6%～8%,膨胀压力为300～400kPa.现场开挖结果表明,地表土内裂缝较多.原位渗透试验测得饱和膨胀土的渗透系数在-7-1010～10cm/s.地表土的含水量明显低于深部土.地下水位约在坡顶以下10m处和坡趾以下2m处.在渠道边坡相对完整且稳定的区域清理出50m长的边坡作为试
8、验段.其中,又划出长均为16m的2个试验区,即将坡面上植被清除干净的A区和保留植被的B区.在A区埋设观测设备包括张力计R1、导热传感器R2和湿度计R3,2根测斜管(I1,I2)和3对土压力计(EP1～EP6),以及表面沉降计.试验区渠道边坡断面及观测仪器布置见图
