1、西安理工大學巖土所西安理工大學巖土所 李榮建李榮建非飽和膨脹土邊坡穩定分析方法非飽和膨脹土邊坡穩定分析方法 報告人：報告人： 李榮建李榮建 劉軍定劉軍定2013.10.132013.10.13 西安理工大學西安理工大學 巖土工程研究所巖土工程研究所西安理工大學巖土所西安理工大學巖土所 李榮建李榮建報告內容報告內容 研究研究背景背景 非飽和膨脹土邊坡穩定性分析實現思路非飽和膨脹土邊坡穩定性分析實現思路 計算分析計算分析 結論結論西安理工大學巖土所西安理工大學巖土所 李榮建李榮建中西部地區復雜多變的地形、地貌決定了中西部地區復雜多變的地形、地貌決定了大量邊坡工程。大量邊坡工程。研究背研究背景景工程

2、中又經常面臨大量的非飽和膨脹土邊工程中又經常面臨大量的非飽和膨脹土邊 坡的穩定問題。坡的穩定問題。非飽和土邊坡中基質吸力的非飽和土邊坡中基質吸力的時空分布時空分布是非是非常復雜，測試常復雜，測試時間冗長時間冗長，技術，技術復雜、繁瑣復雜、繁瑣。有必要采用一種更合理的邊坡穩定分析方法。有必要采用一種更合理的邊坡穩定分析方法。 西安理工大學巖土所西安理工大學巖土所 李榮建李榮建方法方法優點優點缺點缺點極限平衡法極限平衡法1.理論簡單，易于工程應用2.積累了豐富的經驗 3.計算程序容易實現1.不能考慮復雜土本構關系2.多層土時分析較為復雜3.需搜索最危險滑動面普通有限元普通有限元法法1.可考慮土的本

3、構關系2.可以計算非均質材料3.能給出坡體應力、應變場1.前處理工作量大2.分析邊坡臨界狀態困難3.需要假定臨界滑動面強度折減有強度折減有限元法限元法1.可根據變形協調條件進行土體內的應力調整2.能某種程度模擬邊坡破壞3.不需要假定滑裂面形狀4.可分析各種復雜情況1.前處理工作量大2.安全系數取值并不統一， 如三種破壞判別準則 3.后處理形式多樣不統一工程中邊坡穩定性分析中，不得不根據具體工程中邊坡穩定性分析中，不得不根據具體情況選用合適的方法，每一種方法都有缺點。情況選用合適的方法，每一種方法都有缺點。西安理工大學巖土所西安理工大學巖土所 李榮建李榮建 ()tan1()tan2()()tan

4、tatann)tan34()5awfafawafasssscucucuuumpAwuwupAwPu非飽和土強度主要有非飽和土強度主要有Bishop單值有效應力強度和單值有效應力強度和Fredlund雙應雙應力變量的強度理論力變量的強度理論 。u盧肇鈞提出的非飽和土抗剪強度理論盧肇鈞提出的非飽和土抗剪強度理論 ，通過膨脹力間接考慮通過膨脹力間接考慮了基質吸力的宏觀貢獻了基質吸力的宏觀貢獻，緣起緣起測定吸力及其參數的麻煩測定吸力及其參數的麻煩。 u基于盧肇鈞非飽和土強度開發相應的基于盧肇鈞非飽和土強度開發相應的強度折減有限元算法強度折減有限元算法程序。程序。非飽和膨脹土邊坡穩定性分析實現思路非飽和

5、膨脹土邊坡穩定性分析實現思路西安理工大學巖土所西安理工大學巖土所 李榮建李榮建u非飽和膨脹土的含水量從非飽和膨脹土的含水量從w w1 1增加到增加到w w2 2，就會產生膨脹力（，就會產生膨脹力（常常規意義上的膨脹規意義上的膨脹力力）。）。u保持土體積不變，當非飽和膨脹土的含水量從保持土體積不變，當非飽和膨脹土的含水量從w w1 1增加到增加到飽和飽和含水量含水量時，此時，此時膨時膨脹力才脹力才是本文定是本文定義義的的吸吸力等效膨力等效膨脹力脹力。吸吸力力等效膨脹力等效膨脹力特指特指試樣試樣浸水浸水飽和、且保飽和、且保持土體體積為常量持土體體積為常量時測得時測得的最大膨脹力。的最大膨脹力。u實

6、實質質就通過測就通過測定吸定吸力等力等效膨效膨脹力脹力間接間接地考慮基質吸力對土體地考慮基質吸力對土體強度強度的宏觀貢的宏觀貢獻。獻。 u 本文開發的強度折減有限元程序，引入吸力等效膨脹力，在本文開發的強度折減有限元程序，引入吸力等效膨脹力，在理論上可行理論上可行且更為合且更為合理。理。非飽和膨脹土邊坡穩定性分析實現思路非飽和膨脹土邊坡穩定性分析實現思路西安理工大學巖土所西安理工大學巖土所 李榮建李榮建v 抗剪強度以折減系數抗剪強度以折減系數F F進行折減進行折減v 邊坡達臨界破壞狀態時的折減邊坡達臨界破壞狀態時的折減系數系數F F即為邊坡的整體安全系數即為邊坡的整體安全系數v 破壞時的滑動面

7、用最大剪應變破壞時的滑動面用最大剪應變增量的等值線或位移增量等值增量的等值線或位移增量等值線來確定線來確定/fc FtanF非飽和膨脹土邊坡穩定性分析實現思路非飽和膨脹土邊坡穩定性分析實現思路西安理工大學巖土所西安理工大學巖土所 李榮建李榮建等傾線A2-uaB3-ua1-ua B B點為綜合考點為綜合考A A點應力狀態和吸力等效膨脹力的新有效應力狀態點應力狀態和吸力等效膨脹力的新有效應力狀態A A點代點代表參照的表參照的有效應力狀態有效應力狀態非飽和膨脹土邊坡穩定性分析實現思路非飽和膨脹土邊坡穩定性分析實現思路西安理工大學巖土所西安理工大學巖土所 李榮建李榮建u隨著含水量的增加，基質隨著含水量

8、的增加，基質吸力減小吸力減小，常規意義上的，常規意義上的膨脹力增大膨脹力增大，是對是對同一個過程同一個過程，不同階段而言的，不同階段而言的 。u隨著含水量的增加，基質隨著含水量的增加，基質吸力減小吸力減小，吸力等效，吸力等效膨脹力減小膨脹力減小，是，是對不同含水量對不同含水量分別分別增加至飽和含水量時的增加至飽和含水量時的一系列過程一系列過程而言的。而言的?；|吸力為基質吸力為S初始含水量初始含水量飽和含水量飽和含水量膨脹力為膨脹力為0膨脹力膨脹力基質吸力為基質吸力為0spsspw此過程涉及膨脹土邊坡的此過程涉及膨脹土邊坡的2種狀態之間的關系。種狀態之間的關系。非飽和膨脹土邊坡穩定性分析實現思

9、路非飽和膨脹土邊坡穩定性分析實現思路西安理工大學巖土所西安理工大學巖土所 李榮建李榮建(-)awuumAw盧肇盧肇鈞的吸鈞的吸附強度附強度 tanssmp(-)awsuump()sspA ww程序驗證算例程序驗證算例非飽和膨脹土邊坡穩定性分析實現思路非飽和膨脹土邊坡穩定性分析實現思路西安理工大學巖土所西安理工大學巖土所 李榮建李榮建 參數參數 土層土層 彈性彈性模量模量MPaMPa泊松比泊松比容重容重kN/mkN/m3 3/kPa/kPa A Am m水位線上水位線上19190.30.319.0819.083232171712120.6950.6954 40.73150.73151.70911

10、.70911.4241.424水位線下水位線下17170.30.39.649.643232171717171.01.00.73150.73151.70911.70911.4241.424/c某邊坡 坡度為45o 單元為數526 結點數為582非飽和膨脹土邊坡穩定性計算分析非飽和膨脹土邊坡穩定性計算分析西安理工大學巖土所西安理工大學巖土所 李榮建李榮建工況工況工況說明工況說明計算方法計算方法安全系安全系數數工況工況1 1工況工況1-11-1基質吸力非均勻分布基質吸力非均勻分布基于基于BishopBishop單值有效應力的單值有效應力的強度強度1.3051.305工況工況1-21-2基質吸力非均勻

11、分布基質吸力非均勻分布基于基于FredlundFredlund雙應力變量的雙應力變量的強度強度1.3001.300工況工況1-31-3吸力等效膨脹力非均吸力等效膨脹力非均勻分布勻分布基于盧肇鈞的非飽和土強度基于盧肇鈞的非飽和土強度公式公式1.3001.300工況工況2 2不考慮基質吸力不考慮基質吸力強度折減有限元強度折減有限元1.1701.1702030405060708090Frame 001 22 Dec 2005 ALL3436384042444648505254Frame 001 17 Jun2010 工況工況1-1 Bishop1-1 Bishop法法工況工況1 1含水量等值線圖含水

12、量等值線圖工況工況1 1吸力等值線圖（吸力等值線圖（kPa)kPa)工況工況1-3 1-3 盧肇鈞法盧肇鈞法西安理工大學巖土所西安理工大學巖土所 李榮建李榮建本文所提的非飽和膨脹土邊坡穩定分析方法在理論上、本文所提的非飽和膨脹土邊坡穩定分析方法在理論上、數值實現上都是比較可行和易于實現的。數值實現上都是比較可行和易于實現的。結結 論論可以避開基質吸力的技術復雜和時間冗長的測試，為可以避開基質吸力的技術復雜和時間冗長的測試，為非飽和膨脹土邊坡穩定分析提供更可靠的分析方法非飽和膨脹土邊坡穩定分析提供更可靠的分析方法?；谖Φ刃蛎浟Φ膹姸日蹨p有限元法具有其獨特基于吸力等效膨脹力的強度折減有限元法

13、具有其獨特的優越性的優越性，為涉及非飽和特性的膨脹土為涉及非飽和特性的膨脹土 “ “三性三性”的的分析提供一種可以借鑒的方法。分析提供一種可以借鑒的方法。配套的膨脹力測試方法與應用簡介配套的膨脹力測試方法與應用簡介.SCI : 178UZA new practicable approach to stability analysis of unsaturated expansive soil slope解決解決-吸力等效膨脹力吸力等效膨脹力是是試樣試樣浸水飽和且保持土體體積為常量浸水飽和且保持土體體積為常量時測得的最大膨脹力時測得的最大膨脹力西安理工大學巖土所西安理工大學巖土所 李榮建李榮建真空飽和系統量測采集系統膨脹力儀器膨脹力試驗儀器測試-發明專利西安理工大學巖土所西安理工大學巖土所 李榮建李榮建連接抽真空系統連接數據采集系統56171813191298202123242728303216383211447353