（岩土工程专业论文）坡积土湿化变形试验与数值模拟.pdf

摘要 随着我国国民经济的快速发展和大力发展基础设施建设水电工程、铁路、公 路及工民建工程出现前所未有的建设高潮。坡积土边坡工程数量之多，情况之复 杂也是前所未有的，特别是坡积土边坡浸水湿化后更易造成滑坡灾害。因此对坡 积土边坡湿化后正确的认识、合理的设计以及适当的治理，争取把坡积土边坡失 稳造成的灾害降低到最低限度，是岩土工程界和工程设计人员必须考虑的问题。 本文通过阅读大量国内外已有相关文献，针对我国目前工程实践以及现行规 范和设计手册，确定了结合试验、理论分析、力学建模以及数值模拟一系列研究 思路，主要完成工作如下： 1 、综合分析了目前关于坡积土边坡及抗滑桩加固的研究现状，尤其是关于 坡积土湿化的研究，比较了“单线法”和“双线法”两种湿化试验的优缺点； 2 、提出了一套采用g d s 三轴仪进行三轴湿化变形的试验方案及试验步骤， 其具有三轴剪切应力控制、数据自动采集和不同应力路径试验的特点： 3 、通过一系列坡积土三轴湿化变形试验，对坡积土湿化变形特性进行了深 入研究。初步揭示了湿化变形规律；发现了围压与湿化变形量之间的关系：结合 试验提出了“改进的双线法”，同时对湿化变形数值模拟中存在的问题进行了 探讨： 4 、总结了各种有限元数值模拟湿化变形的方法，并讨论了其优缺点，编制 了。等应力双线法”湿化计算程序，并结合本文提出的“改进的双线法”，对 坡积土边坡的浸水湿化过程进行了有限元数值模拟，分析了湿化对边坡的稳定、 抗滑桩的变形及受力特性的影响。 关键词：坡积土边坡抗滑桩湿化有限元 a b s t r a c t a st h ee c o n o m yo fc h i n ad e v e l o p sf a s ta n dc h i n e s ei n f r a s t r u c t u r ea t t n i c t s i n c r e a s i n gf u n d ，t h ec o n s t r u c t i o no f h y d r a u l i cs t r u c t u r e s ，r a i l w a y s ，h i g h w a y sa n do t h e r c i v i lp r o j e c t sr e a c h e sac l i m a x t h en u m b e ro fs l o p ep r o j e c t sh a v i l l gs l o p e - w a s h s o i l i sl a r g e ，a n dt h ee n g i n e e r i n gc o n d i t i o n so ft h e s es l o p e sr i gv e r yc o m p l e x t h es t u d y a n dt r e a t m e n to fs l o p e 、析t hs l o p e w a s h s o i la t t r a c tm o r ea t t e n t i o n , b e c a u s ea n a l y s i s a n dt h e nt r e a t m e n to ft h i ss l o p ea 托k e yp o i n t so ft h ep r o j e c t e a c he n g i n e e r i n g d e s i g n e ro fg e o - t e c h n i c a lc o m m u n i t ys h o u l dm a k em i n dt h a tc o r r e c tu n d e r s t a n d i n g r e a s o n a b l ed e s i g na n da p p r o p r i a t et r e a t m e n to fs l o p e - w a s h s o i ls l o p ea r et h ew a y st o m a k et h ed i s a s t e rf r o mi n s t a b i l i t yo f t h i ss l o p ed e c r e a s et om i n i m u m t h r o u g hr e a d i n gl i t e r a t u r ei na n do u to fc h i n aa n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n d c o n s i d e r i n gt h ep r e s e n te n g i n e e r i n gp r a n c e si nc h i n aa n dt h er e g u l a t i o no fc r i t e r i o n s a n dd e s i g n i n gh a n db o o kt h er e s e a r c hr o a dm a po ft e s t s ，t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ， m e c h a n i c a lm o d e la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni se s t a b l i s h e d c o n c l u s i o n so ft h e r e s e a r c ha n d s t u d ya r el i s t e db e l o w ： t h es t a t u sq u oo f s l o p e - w a s h - s o i ls l o p ea n da n t i s l i d i n gp i l e s ，e s p e c i a l l yo f t h e w e t t i n go f s l o p e w a s h - s o i l s ，i sa n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l y , a n ds i n g l e - l i n em e t h o da n d d o u b l e l i n em e t h o dw h i c ha l ec o n l m o nu s e dt or e s e a r c hw e t t i n ga r ec o m p a r e d t f i a x i a l w e t t i n gd e f o r m a t i o nt e s ts c h e m ea n dt e s ts t e p so fg d st r i a x i a l a p p a r a t u sa r ep r e s e n t e d ，w h i c hh a ss t r a i n - c o n t r o ls h e a r i n g , a u t o m a t i cd a t ac o l l e c t i n g a n dd i f f e r e n ts t r e s sp a t ht e s t i n gf u n c t i o n s b yas e r i e so ft r i - a x i a lw e t t i n gd e f o r m a t i o nt e s to fs l o p e - w a s h s o i l s ，e x t e n s i v e s t u d yi sc o n d u c t e dt or e s e a r c hw e t t i n gd e f o r m a t i o no fs l o p e w a s h s o i l s t h el a w so f w e t t i n gd e f o r m a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i p b e f w e e nc o n f i n i n gp r e s s u r ea n dw e t t i n g d e f o r m a t i o na r ef o u n d a c c o r d i n gt o t e s tr e s u l t si m p r o v e dd o u b l e m e t h o di s i n t r o d u c e d m e a n w h i l e ，p r o b l e m se x i s t e di ns i m u l a t i o no fw e t t i n gd e f o r m a t i o na r e d i s c u s s e d t h ec o m p a r i s o no ff e ms i m u l a t i o n sf o rw e t t i n gd e f o r m a t i o ni sc o n c l u d e d ，a n d a c c o r d i n gt ot h ei m p r o v e dd o u b l e l i n em e t h o d ，as i m u l a t i o nf o rw e t t i n gp r o c e s so f s l o p e w a s h - s o i ls l o p ei sc o n d u c t e d t h ei n f l u e n c e st od e f o r m a t i o na n d t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f a n t i - s l i d i n gp i l ea n ds o i li n t e r a c t i o na r ed i s c u s s e d k e y w o r d ：s l o p e w a s h - s o i l ，s l o p e ，a n t i s l i d i n gp i l e ，w e t t i n g ，f e m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者c 签孙叠塾1 坼3 月矽日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 其叼日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题依据及研究意义 滑坡是一种多发且极易造成较大破坏的自然地质灾害，往往带来交通中断、 河流堵塞、厂矿被摧毁和村桩被掩埋等危害，同时也是工程建设中最常见的问题， 每年都给人民生命和国家财产带来巨大的损失【”。边坡失稳问题在世界分布十分 广泛，我国先后发现有滑坡问题的省市达2 0 多个，是世界上分布较广，面积较 大的国家之一【2 1 。边坡浸水湿化是造成边坡失稳的一个重要因素，而目前对于土 体湿化的研究还不是很多，特别是一些特殊土体，如膨胀土的浸水湿化膨胀【3 】、 黄土的浸水湿陷，更有一些坡积土兼有多种特性，因此对于坡积土湿化变形的进 一步的研究还很有必要的。也正是由于坡积土边坡的上述特性，对坡积土边坡的 失稳判定及合理治理对工程的设计、施工提出了更为严格的要求。因此坡积土边 坡失稳基理及治理方法成为目前相当活跃的课题。 经过多年的工程实践和理论研究，国内外在滑坡防治的各个方面都取得了较 大的成就，其中以支挡抗滑结构的发展应用尤为迅速。抗滑桩作为一种支挡抗滑 结构物而广泛应用于滑坡及边坡的稳定性治理中，由于其具有施工方便、速度快、 工程量少和投资少等优点，因而得到了迅速的发展。其中国内抗滑桩较多地应用 于铁路、公路建设中滑坡治理，并取得了良好的效果1 4 】【5 1 。但目前抗滑桩在设计 计算理论和计算方法还不是很成熟。传统设计计算理论采用了许多假设，都不同 程度地回避了桩土间相互作用、边坡土体的特殊性以及边坡土体浸水后土体性 质的改变 6 1 1 7 。此外，目前的有限元分析主要集中在抗滑桩本身或滑坡原始状态 的分析，对滑坡在采用抗滑桩治理前后的位移、应力、应变、稳定性等的分析也 较少。 随着我国国民经济的快速发展和大力发展基础设施建设，水电工程、铁路、 公路及工民建工程出现自u 所未有的建设高潮。坡积土边坡工程数量之多，情况之 复杂也是前所未有的，坡积土边坡研究、治理的作用与地位日益突出，边坡的稳 定性分析与治理常成为工程成败的关键技术。因此对坡积土边坡的正确认识，合 理的设计以及适当的治理，争取把坡积土边坡失稳造成的灾害降低到最低限度， 河海大学硕士学位论文 是岩土工程界和工程设计人员必须考虑的问题。 目前在坡积土边坡稳定计算及抗滑桩加固坡积土边坡中，采用较多的假设， 同时没有对一些坡积土的特性作更深入的研究，如弱膨胀性，必然会对边坡的稳 定性以及抗滑桩的受力及位移等特性产生较大的影响。因此本文拟对坡积土的特 性进行深入的研究，同时结合传统方法和有限元数值模拟，给出坡积土边坡治理 后由于降雨入渗或地下水位上抬而引起的湿化对抗滑桩及边坡的影响。 1 2 湿化研究现状 1 2 1 湿化变形的数学模型 湿化变形是由于颗粒的破碎、滑移及重新排列定向造成的，从理论上说，湿 化模型应该是一个包括土性、级配、孔隙比、干密度、颗粒形状、软化特性、应 力状态等因素的数学模型，但目前研究水平远没有达到纯理论的要求。因此，现 有湿化变形数学模型，基本上是按照“双线法”和“单线法”处理湿化变形的思 路，见图1 2 。根据试验结果结合各种具体方法拟合得到的经验( 或半经验) 模 型。基于“双线法”，的有n o b a r i 4 ”、殷宗泽【4 2 】、李广信h 3 1 等模型，基于“单线 法”，的有m a r s a l 4 4 、陈慧远【4 卯、刘祖德、卢廷浩m 、沈珠江【4 8 噜模型。而 湿化后土体模型及参数，目前除了按照饱和上进行处理外均没有一人进行深入研 究。 6 ( a ) 单线法( b ) 双线法 图1 2 湿化变形试验示意图 2 第一章绪论 n o b a r i 和d u n c a n 4 1 1 1 4 2 1 通过试验认为：“单线法”所得湿化应变与“双线法” 在同一应力状态的应变之差接近，因此可用干、湿两种应力应变试验曲线来求湿 化变形。计算时，应变被认为包括大主应变e 。和体积应变s ，两个分量，它们由 围压c r 3 和偏应力( q 一吒) 所引起。( 盯一吒) 所引起的占。、s ，假定符合双曲线关 系，可以利用邓肯张模型计算，而由以所引起的大主应变和体积应变可通过各 向等压排水固结试验测得。假定浸水前后的应变相等( 即浸水后土体变形完全约 束) ，根据干时应变按照饱和参数反算出对应湿化后的应力，而干态与湿化后应 力之差即为假定结点约束时湿化引起的“初应力”，然后根据饱和参数求出湿化 变形。计算中假定湿化前后的主应力增量方向角不变。 在n o b a r i 的湿化变形计算方法的基础上，殷宗泽【4 2 】进行了改进。计算时仍 然采用双线法，但土体应力应变关系采用了增量的形式，不再进行湿化前后主应 力增量方向角不变的假定，同时土体本构模型不再局限于非线性弹性的模型，而 且可以用弹塑性模型。计算时，把单元干态时应力分为n 级，根据应力增量采用 干态刚度矩阵可求对应的应变增量，再根据应变增量采用湿态刚度矩阵求得对应 应力增量，于是可以求得浸水前后假定应变小变的应力松弛量，也就是所求的“初 应力”。同样也可假定浸水前后应力不变，得到湿化变形量，再求出“初应力”。 上述两种方法分别可称为“等应变双线法”和“等应力双线法”。目前，该计算 方法已被应用于很多工程的计算1 4 9 1 1 5 0 i 。 在对砂土，砂砾料和黄土进行大量不同偏应力下的浸水变形试验后，沈珠江 3 6 1 5 1 矧提出浸水变形的本构模型见式1 1 0 i 占? = c ， ，s ( i - 1 0 ) i ，刊v 两 其中，f ? 为浸水后体变，为浸水后剪应变，c ，为浸水体变系数。 卢廷浩根据湿化变形试验，认为湿化主应变增量 a c 。) 是围压吒和应力水 平s 的函数。假定应变增量主方向与应力主方向一致，则湿化六个应变增量可同 主应力增量空自j 转换到一般应力空间的转换矩阵【州确定。于是根据“单线法” 或。双线法”湿化变形试验，求得湿化变形量。 在以上土体浸水湿化变形计算方法和模型中，常用的为殷宗泽和沈珠江的模 河海大学硕士学位论文 型。由于缺乏实测资料，很难比较哪个更能符合实际情况。但是根据已有的文献， 以上方法中得到的湿化变形大多偏小，因此有进必要进一步的研究。 1 2 2 常用的湿化计算模型 目前湿化变形的数值模拟方法主要是有限单元法【3 5 1 f 鲐划。在进行有限元计 算时，利用上一章介绍的“单线法”或“双线法”的湿化模型，求出湿化变形量， 再根据湿化时应力对应的劲度矩阵将其转换成“初应力”，最后将“初应力”转 换成节点荷载加入有限元支配议程的荷载参与计算1 4 1 1 【4 2 】【5 5 j 【珏姗。也有把求出的 湿化变形作为“初应变”，然后通过迭代直到两次迭代得到的应变差值满足一定 的精度时认为迭代完成。由于有限元迭代存在很难收敛且耗时较长的问题，所以 目前常用的还是转化为节点力参与有限元计算的方法。该方法概念清晰，是有限 元常用的方法。 ( 1 ) 其假定浸水部分的土体先受到约束，不产生变形，也就是说这些部分 的结点是铰支座，无位移，刚浸水湿化引起的应力松弛。根据应力应变关系也 可推估这种应力改变量。浸水i j 仃的应力状态已计算出，为p ，设想是由干应力 增量( 行个) 按比例增加而达到的。每个增量为 协 = p ，l ( 1 - 1 1 ) 对每级增量，用干态的刚度矩阵【d l 求应变增量 忸 = 【d f 协 ( 1 1 2 ) 由风干土试验测出的【d l 所含的参数，它随应力增量累加过程中的应力状态 而变。将各级增量所对应的应变 魔 累加，得浸水前的总应变扛 。由于假定湿 化变形受到约束，浸水后的应变保持不变，可由饱和状态的应力一应变关系反过 来求浸水后应力p ， 。仍将p 分为疗个增量，每个增量就是式( 1 一1 2 ) 算得的 值。再用浸水饱和状态的刚度矩阵【d l 刚浸水后的应力增量见式( 1 - 1 3 ) 鼢， = 【d l 砖 ( 1 1 3 ) 式中，【d l 所含参数由饱和土试验测定。累加协， 得假想应变不变条件下 浸水后的应力p 。 。这样，式( 1 - 1 4 ) 就为湿化引起的应力改变量 a o = p ， 一p ) ( 1 - 1 4 ) 第一章绪论 ( 2 ) 上述应力改变量 仃 是在结点位移受限制的条件下产生的，要限制 位移，就必须在各结点作用相应的约束力。此结点约束力与产生的应力改变量平 衡。可由式( i - 1 5 ) 计算结点约束力。 时= 肛r 扛蛔( i - 1 5 ) ( 3 ) 事实上结点位移没有限制，结点是铰而不是支座，约束力是不存在的， 为此在结点施加与约束力大小相等、方向相反的结点荷载，以消除此结点约束力。 将此结点荷载与水压力( 或渗透力) 、浮托力等其它荷载一起施加于网格，作有 限元计算，则结果就是考虑湿化前面所述三因素而得的应力应变增量。 ( 4 ) 把浸水湿化前的应力与步骤( 1 ) 、( 3 ) 所求得的应力叠加即得浸水湿 化后的总的应力。由步骤( 3 ) 所求得的位移就是湿化引起的位移。 1 3 边坡稳定的研究现状 从1 9 世纪到2 0 世纪初，随着社会的发展，因水运、交通等大规模基础设施 的建设，滑坡灾害已直接妨碍人类经济活动，导致西方国家首先开展对滑坡的研 究。在初期只限于对滑坡现象的观测，随着工程地质学和土力学的形成和发展， 滑坡问题已引起更多国家和人员的重视。 早期对边坡( 斜坡) 稳定性的研究主要借助土力学中的极限平衡理论，根据 静力平衡条件计算斜坡极限平衡状态下的整体稳定性，或者从斜坡所处的地质条 件及作用因素上进行类比分析。经过近百年的努力，人们分别从力学角度、数学 角度、人工智能、遗传学角度等进行单方法或组合方法的形式进行边坡稳定性研 究。到目前为止提出的边坡稳定性分析方法有几十种，概括起来大致分以下几类 【i7 】 一、工程地质类比法 工程地质类比法是指将已有的自然边坡( 滑坡) 或人工边坡的研究设计经验， 应全面分析工程地质的相似性和差异性，分析影响边坡变形发展的主导因素的相 似性和差异性。此外，还应考虑工程的类别、等级以及对边坡的特征要求等。工 程地质类比法虽然是一种经验方法，但在边坡设计中，特别是中小型工程的设计 中是很通用的种方法，其应用范围包括： 1 、根据边坡的岩性、结构、构造、坡高、水文地质条件等相似性，从经验 河海大学硕士学位论文 数据中选取容许坡度值； 2 、根据岩性或岩体结构的相似性，从经验数据中选取稳定性计算参数： 3 、根据自然条件相似的边坡破坏实例，反演边坡稳定性计算参数： 4 、根据条件相似的边坡的整治经验，提出边坡防治措施。 二、极限平衡法 极限平衡法 7 t 3 1 是使用最早的一种定量计算方法，它的发展已经相当成熟， 也是工程上应用最多的一种方法。这种方法的理论基础一极限平衡理论较为简 单，其优点在于在不能给出应力作用下结构的变形图像的情况下，仍能对结构的 稳定性给出精确的结论。早期的极限平衡理论计算方法主要是基于各种假设的条 分法【m 1 6 1 。不同假设就形成了各种不同的极限平衡法( 见下表1 1 条分法比较) 。 表1 1 几种常用条分法比较 所满足的平衡条件滑裂面条问内 计算方法 力矩垂直力水平力形状力假定 瑞典圆弧法 圆弧合力方向 b i s h o p 法 圆弧忽略切向条间力 m o r g e n s t e m - p r i c e 法 、， 任意合力方向 s p e n c e r 法 任意 合力方向 j u b u 法 任意合力的作用点 s a r m a 法 任意 合力方向 本文将介绍以上几种常用的方法： l 、瑞典人f e l l e n i u s 提出了边坡稳定分析的圆弧滑动分析方法，即瑞典圆弧 法，它是边坡稳定分析领域中最早的一种方法。该方法假设土条底面的法向力可 以简单地看作是土条重量在底面法线方向的投影。虽然假设过于简单，但是构成 了条分法的雏形。同时由于滑动面是圆弧，因此法向力通过圆心且对圆心取矩时 不出现，使计算工作大大简化。且本法直接可求得安全系数，不需要迭代求解。 因此在没有计算机的年代，这是一个实用的方法。 2 、b i s h o p 对传统的瑞典圆弧法作了重要改进。首先，他提出了安全系数的 定义，即上面讲到的对f s 的定义。然后假设土条问的作用力为水平方向，再通 过土条在竖直方向上的静力平衡条件求出土条底面上的法向力。同样，b i s h o p 6 第一章绪论 通过边坡整体力矩平衡方程来确定安全系数f 。由于建立的力矩平衡方程是关于 f 的隐式方程，因此需要迭代求解f ，该方法一般称为简化b i s h o p 法 3 、简化j a n b u 法同样假设土条间的作用力为水平方向，通过土条在竖直方 向上的静力平衡条件求出土条底面上的法向力。但是j a n b u 通过边坡整体在水平 向的静力平衡来确定安全系数f ，同样需要迭代求解。该方法一般称为简化j a n b u 法。 4 、m o r g e n s t e r n p r i c e 提出了适用于任意形状滑动面的严格方法。它不仅考 虑了法向力和切向力的平衡，而且考虑了每一土条力矩的平衡。其假定两相邻条 块法向条间力和切向条问力之间存在一个水平方向坐标的函数关系，实际上是假 定条块之间作用力方向随水平坐标变化，变化的函数关系人为地确定，然后再由 力矩和力的平衡确定潜在滑移面上的法向应力及边坡稳定安全系数。 图1 1 表示破坏土体内的任一土条。平衡是建立在假设基底的力矩为零和土 条底部上的法向和切向力的总和为零的基础上。 其关系是： s = r ( d e d x ) 一d ( e y ) d r ( 1 - 1 ) = ( + a s ) e o s o + a e s i n 8 ( 1 - 2 ) a t = ( a w + a s ) s i n o a e e o s o ( 1 - 3 ) 摩尔一库仑的破坏准则是： a t = 【c a x s r f o + t g 矿】f 联立方程( 1 1 ) 、( 1 - 2 ) 和( 1 - 3 ) ，并令x 一0 ，得： ( 施7 出) 1 + ( 刨7 f ! ! ：d y d x ) + ( d s d x ) ( 刨f ) - ( a y a x ) ( 1 - 4 ) = 一( c f ) i + ( a y a x ) 2 卜( a w a x ) ( t g # f ) ( a y a x ) 】 方程( 1 - 1 ) 和( i - 2 ) 提供两个解未知函数e ，s 和y 的微分方程，为了使 方程组可解，假设： s = 丑厂( x ) - e ( 1 - 5 ) 式中，( 刁是工的函数，a 是常数。至此问题完全确定。系数五和f 可由方程 ( 1 - 1 ) 和( 1 5 ) 求出，这些方程满足一定的边界条件。在每个垂直边上给定一 个厂值，亦即假定函数f ( x ) 为线性，因为未知数的数目减少到3 栉，其未知数目 见表1 2 。 7 河海大学硕士学位论文 表l 一2m o r g e n s t e m p r i c e 分析法中未知数种类和数量 未知数数目 f ( 与r 有关)l 疗 缸 疗 s疗一l 总数 3 n 图1 1m o r g e n s t e r n p r i c e 法土条上的力 在m o r g e n s t e m p r i c e 法中，对条块白j 的剪切力s 和法向力e 的关系作了一 个简化假定。基于这个假定。必须对全部计算机求得的量进行合理性检验。如果 不合理，必须重新假定，b i s h o p ( 1 9 5 5 ) 指出：正确的安全系数范围可能相当狭 窄，而只要根据假设得出合理的应力分布和数值，便能得出几乎相同的安全系数。 w h i t m a n 和b a i l e y 应用m o r g e n s t e m p r i c e 法及简化的b i s h o p 法求解了若干问题， 发现两者的差别在7 以内或者更小，通常小于2 。 5 、s p e n c e r 假设条间力倾角为一常数，通过整体力和力矩平衡方程来求安全 系数f 。它实际上是m o r g e n s t e m p r i c e 法中的一个特例。 6 、s a r m a 法假定沿两相邻土条的垂直分界面，所有平行于土条底面的斜面 均处于极限平衡状态这个前提下，推导出切向条白j 力x 的分布，从而使超静定 问题变成静定问题。 8 第一章绪论 三、数值分析法 边坡稳定性的数值分析方法主要有：有限单元法( f e m ) 、边界单元法 ( b e m ) 、离散单元法( d e m ) 、有限差分法( f d m ) 、快速拉格朗日法( f l a g ) 等，它们是通过分析边坡或滑坡结构体内部的应力、应变特征来分析给定断面的 变形和稳定问题。这些方法的计算精度随着划分单元体的参数的精度而变化，所 以要求做大量的试验来确定每一单元体内岩土体的物理力学参数，如果由于资金 限制无法做大量的岩土试验，则必定会影响计算的结果。此外，在数值分析过程 中有过多的参数假定，分析过程复杂，而分析的结果往往又不直接是工程单位所 使用的安全系数，从而限制了这种方法的使用。更为重要的是，当前最大的矛盾 是本构关系的研究远远落后于计算机技术的发展，成为制约计算成果可靠程度的 瓶颈。随着数值分析方法的发展，己经开始考虑本构关系上的非线性和几何上的 非线性；岩土体的本构模型，已经从弹性、弹塑性模型发展到粘弹性、粘塑性， 粘弹塑性模型。岩体损伤理论、断裂力学理论以及大变形理论的引入使得数值分 析的结果更接近实际，是数值分析方法今后发展的方向。 四、概率分析法 在边坡稳定性分析中，长期的工程实践证明，基于极限平衡理论的稳定性系 数计算法是一种有效实用的方法。但是，在某些实例中，其稳定性系数大于1 0 的斜坡却发生了失稳破坏，而稳定性系数小于1 0 的却处于稳定状态。究其原因 可能是多方面的，但也说明传统的斜坡力学计算尚存在一定问题。人们发现，边 坡所处的地质环境是复杂多变的，边坡的稳定性影响中有诸多不确定性因素，我 们很难用确定的分析方法对它们进行精确的描述。边坡岩土体是地质体的一部 分，是长期地质作用的产物，它所涉及的工程地质条件及岩土体参数是复杂的、 多变的、随机的、相关的。大量的工程岩土试验证明，同类岩土体的强度参数往 往符合某种概率分布，因而人们开始从确定模型向概率分析或斜坡破坏概率方向 探索。由于边坡系统的复杂性、灰色性等特点，不可能得到其确定解、最优解， 理想的结果是求取基于确定模型与概率模型相结合的满意解。概率分析法的主要 应用是斜坡的可靠性分析与设计，因为可靠性理论可有效地解决系统内的不确定 性和相关性。主要的研究方法是，利用概率统计理论对影响边坡稳定的各因素进 行概率分析，统计和分析因素的概率分布特征及对系统可靠度的影响。 9 河海大学硕士学位论文 目前，常用的边坡可靠性计算模型主要有蒙特卡洛模拟、一次二阶矩方法、 统计矩法及函数连分式方法等。近年来，基于概率论的边坡可靠性分析方法得以 系统的发展，边坡稳定性的可靠性分析理论己初步形成( 祝玉学，1 9 9 4 ，罗文强 等，1 9 9 6 ) ，但由于边坡体变形破坏过程机理复杂，边坡稳定性因素的概率分布 还不能准确的求出，基本变量本身的可靠性还有待进一步研究。另外，可靠度值 难以确定，所以，这都将影响可靠性分析方法的应用和发展。 五、其它分析法 由于影响边坡稳定性的各种因素具有不确定性以及边坡变形破坏过程的复 杂性，使得我们很难做出准确的工程判断，所以工程设计与决策仍不能完全依赖 于理论分析和数值计算，在很多情况下，仍要依赖于专家的经验和类比，所以有 人说，提高我国工程师的整体素质和专业技能是提高工程质量的有效途径。随着 计算机的发展，基于人工智能科学的理论开始应用于边坡稳定性研究。人工神经 网络专家系统是7 0 年代末走向实用并迅速发展起来的一种计算应用技术，是基 于专家知识和经验判断进行特定领域问题求解的非数值计算机分析软件。神经网 络内部连接的自组织结构具有对数据的高度自适应能力，由计算机直接从实例中 学习获取、储备知识( 专家知识) 、可使用残缺不全的或模糊的信息进行不确定 性的推理。它根据用户提供的充分的学习样本( 数据、信息) 进行学习，让系统 获取足够的知识或经验后，对待研究的样本做出判断，以供用户决策分析。这一 类系统的特点是，计算机起着专家咨询作用，而该系统是以专家知识为基础的系 统，因而通常达到专家处理问题的水平。由于边坡工程是一个复杂的系统，边坡 稳定性的影响中有诸多不确定性、模糊性和随机性因素，因此，把它用于边坡稳 定性研究应该是一个有前途的方向。但是就目前来讲，人工神经网络方法仍处于 理论研究阶段，主要的问题在于大部分边坡工程专家系统均采用人工方法获取专 家经验知识，即系统获取的知识依赖于输入的因子，而因子的选择及因子的数据 处理问题在学术界尚未达到统一，有待进一步的研究。 随着非线性科学的发展，人们逐渐认识到斜坡灾害系统是一个开放的、复杂 的大系统，斜坡灾害系统不断的与外界发生物质与能量的交换，具有非平衡性、 非线性、突变性、自组织性、随机性的属性，灾害的发生是系统远离平衡状态的 结果，因此许多学者将处理复杂系统的非线性理论引入斜坡灾害的地质演化过程 研究，提出了一些基于非线性理论的边坡稳定性评价和预测方法，如突变理论分 i o 第一章绪论 析法、滑坡分形理论、滑坡非线性动力学分析等。 近几年来，地理信息系统( g i s ) 在边坡( 滑坡) 灾害研究中的应用引起了 广泛的关注。g i s 强大的空间分析和空间数据库功能决定了g i s 非常适合于解决 滑坡研究领域中的许多问题，如历史滑坡编录、滑坡的时空序列分析、滑坡发生 与静态及动态环境因素( 如暴雨、地震) 等之间的空间相关分析、滑坡灾害风险 评价等。这些问题与滑坡及影响滑坡发生的动、静态环境因素的空间位置有直接 的联系，利用g i s 技术可以对这些问题进行定位、定量分析。 在边坡稳定性评价与预测中还有其他一些方法，如模糊数学方法、信息量模 型、灰色系统理论等，已经有许多学者进行了研究，并取得了一系列成果。 1 4 抗滑桩设计的研究现状 二次世界大战后，随着工业交通的恢复和发展，美国、原苏联、英国、日本、 比利时、奥地利、捷克、荷兰、意大利等国均在公路、铁路、水利滑坡整治中采 用抗滑桩，到六十年代用桩整治滑坡己相当普遍。我国铁路上最早应用抗滑桩是 二十世纪5 0 年代修建宝成铁路，当时的桩与现在挖孔灌注的抗滑桩一样，系钢 筋混凝土结构，但主要用于整治少数岩石顺层滑坡。 现阶段抗滑桩的设计计算理论和方法主要还是借鉴桥梁桩基的计算理论，基 于抗滑桩主承受横向水平荷载的桩基的计算方法推导演变而来。关于承受横向荷 载桩基的计算方法【1 8 1 ，前人曾采用各种不同的方法进行研究，并取得较大的成就， 概括而言，其中主要包括以下几种方法： 一、悬臂桩法 该法将滑动面以上的桩身所承受的滑坡推力和桩前滑体所产生的剩余抗滑 力或被动土压力视为己知外力，并假定两力分布规律相同，将此两力作为作用在 滑动面以上桩身的设计荷载。然后根据滑动面以下岩、土的地基系数计算锚固段 的桩壁应力以及桩身各截面的变位、内力。桩的计算图式相当于锚固在滑动面以 下的悬臂结构。此法出现较早，计算简单，在实际中应用较多。 二、地基系数法1 1 9 1 该法将w i n k l e 的。弹性地基”的理论引入桩的水平荷载分析中，把整根桩 视作水平抗力系数随深度变化的w i n l d e r 地基内竖直的弹性梁，将滑动面以上桩 河海大学硕士学位论文 身所承受的滑坡推力作为已知的设计荷载，然后根据滑动面上、下地层的地基系 数计算桩身各截面的变位、内力。此法对滑动面的存在和影响没有考虑，只有在 求出的桩前土体弹性抗力小于或等于桩前土体实际具有的抗滑力时才可以，否则 不合理，应该用换算地基系数重新计算，直至桩前土体弹性抗力等于或近似等于 桩前土体实际剩余抗力为止。 根据w m k l e r 地基梁模型，梁在横向荷载下的弯曲理论方程为： 日窘= p = - k b ，y 。， 式中：日为桩的综合刚度，置为地基系数，6 ，为桩的计算宽度。按对地基 抗力系数变化规律的假定不同，又可分为线弹性地基法【2 5 】嘲( 如“k ”法，“m ” 法) 和非线性弹性地基系数法田1 ( 如“c ”法、。双参数法”等) 。 l 、“k ”法 认为地基系数k 为一常数，不随深度的增加而增加。该法适用于较完整的硬 质岩层、未扰动的硬粘土或性质相近的半岩质地层。 2 、“m ”法 认为地基系数沿深度线性增加，即有 k = 彪 ( 1 - 7 ) 式中m 为地基系数的比例系数。该法适用于一般硬塑至半坚硬的砂粘土、碎 石土或风化破碎成土状的软质岩层，以及密实度随深度增加的地层。 3 、。c ”法 认为地基系数眼深度呈l ，2 次抛物线增加，即有： k = m z 2 ( 1 - 8 ) 4 、双参数、法【2 3 1 ( 2 4 1 设地基系数k 按吴氏双参数表达，即有： k = 船” ( 1 - 9 ) 在计算过程中，现选择土体抗力模数之幂指数l n 0 的某值，并根据桩顶实 测位移和转角反算出桩一土的综合刚度日及相对柔度系数a 和土体抗力模 数的比例系数m 。 1 2 第一章绪论 双参数法的实质是通过2 个参数的调整，改变地基系数k 的分布模式，以符 合桩在地面处的位移和桩身最大弯矩及其所在位置等于实测值，并且在地基系数 k 的分布图式中，它有唯一解。传统的“k ”法、。m ”法、。c ”法是双参数法 的特殊形式。 5 、由。k ”法、“m ”法、“c ”法所形成的混合法 各类实践表明，单纯采用某一方法是不能与桩的实测数据和边界条件吻合的 很好，地面处桩的挠度、转角以及最大弯矩及其所在的位置不能同时地很好吻合， 只能达到较为接近的程度。基于以上原因，许多学者提出了由“k ”法、“m ” 法、“c ”法所形成的混合法。对这些方法，戴自航，彭振斌【2 m 挖l 给出了“k ”法、 “m ”法和“m - k ”法的差分求解格式；杨佑发等【2 7 - 2 9 也给出了“m - k ”法和 “k k ”法差分求解格式。混合法在具有各种方法优点的同时，将同时带有各种 计算方法的缺陷，如。m ”法只适用于小变形的情况等。 三、弹性理论法 该法假定桩埋置于各向同性的线弹性半无限空间体中，以弹性连续介质来求 解桩土的荷载效应，并用受力水平力作用下的m i n d l i n 解来计算桩周土的位移， 且用细长杆的挠曲议程求解桩的位移。 四、有限元法【2 5 】f 冽 将有限元原理运用到桩的设计分析当中，可以考虑桩周土体的非线性弹性、 弹塑性和黏弹塑性等变形性状，对于模拟桩土共同作用，动力效应及求解桩的 特殊边界条件等问题【嘲。张友良等 3 0 - 3 1 l 提出用杆件有限元法来计算抗滑桩的内 力，把抗滑桩用若干个杆单元来模拟，可有效地解决复杂结构，复杂边界条件， 复杂地层条件及复杂的荷载条件给计算得带来的困难。 就各种计算方法而言，有限元法能较好的模拟桩土间的各种作用，但目前 在坡积土边坡的研究中，没有能够较好的考虑坡积土的一些特性一如湿化后膨 胀、湿陷的作用。对于湿化变形在边坡稳定、桩抗滑的受力特性等方面的研究也 较少，这也正是本文所要重点研究的问题及创新点。 河海大学硕士学位论文 1 5 本文的技术路线及主要研究内容 1 5 1 技术路线 土体的湿化变形与降雨入渗的深度、降雨强度、上覆压力的大小和坡积土土 体自身的力学性质等多种因素有关，因此难以准确的计算或量测；同时在降雨引 起土体膨胀的同时也伴随着土体的湿陷。目前对于坡积土由于降雨或其它因素同 时引起的膨胀或湿陷都作分别考虑来研究。本文认为这样不能全面真实的反映坡 积土的湿化特性，因此本文认为：对坡积土的研究应将土体的膨胀和湿陷一并考 虑为土体的湿化作用力。这样才能更全面真实的反映坡积土的特性。 由于坡积土的湿化作用力在一定程度上反映了其膨胀和湿陷的作用，所以本 文通过坡积土的“单线法”和“双线法”【3 2 】三轴湿化实验来研究分析坡积土的湿 化作用力。由于“单线法”是反映土体实际湿化时应力状态的湿化变形试验，其 得到的湿化变形应该更接近土体实际浸水湿化时的变形量，因此较“双线法”应 更加合理。但该法需要通过不同围压、不同湿化应力状态下的试验来得到湿化变 形量，故试验工作量很大，且由于土体的制样及试验中难以避免的误差，会造成 结果存在一定的误差；而对于“双线法”只需分别进行土体的干态和湿念的三轴 剪切试验，得到两个状态下的模型参数，根据这些参数，可以求出对应其某一应 力状态谚 下的变形差值，该变形差值即为湿化变形量。本文希望通过一系列湿 化变形试验，来进一步研究坡积土的湿化特性。本文分别按照“单线法”和“双 线法”的思路进行湿化变形试验，其中“单线法”湿化变形试验更符合实际情况， 但由于其复杂性，本文希望能够通过较简单的“双线法”试验对“单线法”试 验进行拟合。以便达到能更全面真实的反映坡积土边坡湿化的特性也达到了简化 问题的目的。 1 5 2 研究内容 本文着重研究了坡积土的湿化变形对边坡及抗滑桩的应力场和位移场的影 响，运用有限元数值模拟法，研究了坡积土边坡的稳定性、抗滑桩的受力特性以 及桩土共同作用等方面，本文主要研究工作有： 1 4 第一章绪论 l 、总结了前人对边坡稳定及抗滑桩设计的研究现状，分析了目前存在的问 题，阐述了本文的研究意义及技术路线。 2 、分析了坡积土“单线法”和“双线法”两种湿化变形试验的特点及其优 缺点，为了更好的反映土体的真实特性，本文通过较简单的“双线法”试验对“单 线法”试验进行拟合。并由“改进的双线法”中整理得了一套更符合土体实际 湿化特性的邓肯e y 模型参数； 3 、简述了湿化模型的有限元实现、有限元模型的建立桩土共同作用等； 编制了“等应力双线法”湿化模型有限元程序，模拟计算了坡积土边坡的湿化， 并对模拟结果与试验结果进行详细的对比分析； 4 、运用有限元对抗滑桩及其加固的坡积土边坡进行了数值模拟计算，重点 考察分析了坡积土的湿化对边坡及抗滑桩的应力场、位移场等特性的影响。得到 一些有用的结论，对设计、优化以及监测抗滑桩在坡积土边坡的应用提供指导意 义。 河海大学硕士学位论文 第二章湿化变形试验研究 2 1 试验目的 根据前述的技术路线，本文希望通过一系列湿化变形试验来进一步研究坡积 土的湿化特性。本文分别按照“单线法”和“双线法”的思路来进行湿化变形试 验；。双线法”湿化变形试验具有试验简单，概念清晰等优点而得到较大的推广。 而“单线法”是模拟土体实际湿化时应力状态的湿化变形试验，其得到的湿化变 形应该更接近土体实际浸水湿化时的变形量，因此较“双线法”应更加合理。但 该法需要通过不同围压不同湿化应力状态下的试验来得到湿化变形量，故试验工 作量很大。因此本文希望能够通过较简单的“双线法”试验结果对“单线法”试 验结果进行拟合，以达到能全面真实反映坡积土湿化特性的同时简化试验的目 的。 2 2 湿化变形试验方法 在早期，进行粗粒料浸水湿化变形试验研究的目的是用于土石坝蓄水变形分 析，主