（道路与铁道工程专业论文）山区公路沿河路基动态失稳机理研究.pdf

摘要 摘要 山区公路多沿山间河流沟谷分布，其路基与普通路基的显著差别在于河( 库) 水的存在。河( 库) 水的存在，改变了沿河路基边缘的水动力条件，使得沿河路基遭 受水流的冲刷、地下水的渗透与浸泡等不良作用，导致沿河路基的变形和失稳破 坏频繁发生。众多学者针对水流对路基的冲刷及其防护作了大量的研究，但实际 上沿河路基的失稳是路基岩土体与河水、地下水、地表水等多种因素长期相互作 用的结果，是一个动态过程。为了解决沿河路基防护工程中的关键技术问题，建 立科学的沿河路基防护工程与支挡结构设计方法，有必要对沿河路基动态失稳机 理进行深入的研究。 论文在总结前人研究成果的基础上，主要进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 阐述了沿河路基的渗流特征，并通过渗流场和应力场的机理分析运用混合 分析法引入了流固耦合分析的数学模型； ( 2 ) 采用室内物理模型试验，对山区公路沿河路基动态失稳机理进行研究，内 容主要包括设计和制作模型试验设备研究不同结构和不同类型的沿河路基岩土体 在复杂水力边界条件下的动态失稳机理、利用模型试验成果分析不同水力边界沿 河路基内孔隙水压力的分布： ( 3 ) 利用室内物理模型试验，研究甲面应变条件下h e n k e l 系数随荷载变化的变 化规律； ( 4 ) 从渗流基本理论出发，利用f l a c 的稳定性分析方法和流固耦合计算理论 对室内模型试验进行数值分析，对水位上升、下降及不同降雨强度时渗流场和应 力场的变化情况进行了分析和探讨，并将数值分析结果与物理模型试验进行对比； ( 5 ) 考虑岩土体材料的渗透性、河流水位、不同降雨强度及渗流时间对沿河路 基稳定性的影响，运用f l a c 程序进行不同状态的组合分析。 物理模型试验及数值分析结果具有一定规律性，可用于沿河路基失稳成因分 析、评价沿河路基稳定现状及优化设计其支挡结构。 关键词：沿河路基；动态失稳；渗流场；应力场；耦合计算：f l a c a b s t r a c t a b s t r a c t r o a d si nm o u n t a i n o u sa r e a sa r ea i m o s ta l o n gr i v e r s ar e m a r k a b l ec h a r a c t e ro f r o a d b e da l o n gr i v e ri st h ee x i s t e n c eo fr i v e rw a t e r t h ee x i s t e n c eo fr i v e rw a t e rc h a n g e s t h ew a t e rd y n a m i c a lc o n d i t i o no fr i v e r s i d er o a d b e d s oi tc a u s e sm u c hb a d n e s se f f e c t s u c ha st h es c o u ro fw a t e r , p e n e t r a t i o no fg r o u n d w a t e ra n ds o a k i n g a c c o r d i n g l y d i s t o r t i o na n di n s t a b i l i t yo fr o a d b e da l o n gr i v e ro f t e nh a p p e n m a n ys c h o l a r sh a v ed o n e m a n ys t u d i e sa b o u tt h es c o u ro fr i v e rw a t e ra n dp r o t e c t i o no fr o a d b e d i nf a c t ，i ti si n m o r ec a s e st h er e s u l to f l o t i g t i m ec o m p l e xi n t e r a c t i o no f t h er o a d b e dr o c k s o i lm a s sa n d s u c ha st h er i v e rw a t e r ，t h eu n d e r g r o u n dw a t e ra n dt h es u r f a c ew a t e r i no r d e rt or e s o l v e t h ec r i t i c a lt e c h n i q u ep r o b l e mo f p r o t e c t i o np r o j e c t so f r o a d b e da l o n gr i v e ra n de s t a b l i s h s c i e n t i f i cd e s i g nm e t h o do fp r o t e c t i o na n dr e t a i n i n gs t r u c t u r e s ，i ti sn e c e s s a r yt oc a r r y o nf u r t h e rs t u d ya b o u tm e c h a n i s mo fd y n a m i ci n s t a b i l i t yf o rr i v e r s i d er o a d b e d b a s e do nf o r m e rw o r k ，s e v e r a lm a i nr e s e a r c h e si nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s e e p a g ec h a r a c t e r s o fr i v e r s i d er o a d b e dw a ss t a t e d m a t h e m a t i cm o d e lo f f l u i d - m e c h a n i c a li n t e r a c t i o nw a si n t r o d u c e db ya n a l y z i n gm e c h a n i s mo fs e e p a g ef i e l d a n ds t r e s sf i e l du s i n gm i x i n ga n a l y s i sm e t h o d ( 2 ) a d o p t e di n d o o rp h y s i cm o d e lt e s t t o s t u d yt h em e c h a n i s mo fd y n a m i c i n s t a b i l i t yf o rr i v e r s i d er o a d b e d t h ec o n t e n t sm a i n l yi n c l u d e dt w op a r t s t h e yw e r e p a r t1 ：d e s i g na n dm a n u f a c t u r em o d e le q u i p m e n tt oi n v e s t i g a t et h em e c h a n i s mo f d y n a m i ci n s t a b i l i t yo ft h er o c km a s so fr o a d b e da l o n gr i v e ri nc o m p l e xh y d r a u l i c b o u n d a r yc o n d i t i o n s a n dp a r t2 ：a n a l y z em o d e lt e s tr e s u l t st og e tt h ed i s t r i b u t i o no f p o r ew a t e rp r e s s u r eu n d e r d i f f e r e n td r a i n a g ec o n d i t i o n s ( 3 ) s t u d i e dt h ec h a n g i n gr e g u l a r i t yo fh e n k e lc o e f f i c i e n ta l o n gw i t ht h ec h a n g i n g o f l o a d su n d e rp l a n es t r a i nc o n d i t i o n su s i n gi n d o o rp h y s i cm o d et e s t ( 4 ) b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fs e e p a g e ，c a r r i e do nn u m e r i c a la n a l y s i su s i n g s t a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d o ff l a ca n dc a l c u l a t i o nt h e o r yo ff l u i d - m e c h a n i c a l i n t e r a c t i o n a n a l y z e da n dd i s c u s s e dt h ec h a n g i n go fs e e p a g ef i e l da n ds t r e s sf i e l du n d e r s u c hc o n d i t i o n sa sa s c e n d i n ga n dd e s c e n d i n go fw a t e rl e v e l ，a n dd i f f e r e n tr a i n f a l l i n t e n s i t y a n dt h e nc o m p a r et h er e s u l t so fn u m e r i c a la n a l y s i sw i t ht h a to fp h y s i cm o d e l t e s t ( 5 ) c a r r i e do nd i f f e r e n tc o m b i n a t i o na n a l y s i su s i n gf l a cp r o g r a m s u c hf a c t o r s a sr o c k s o i lm a s sp e r m e a b i l i t y , t h er i v e rl e v e l ，d i f f e r e n tr a i n f a l li n t e n s i t ya n ds e e p a g e t i m ew h i c hi n f l u e n c et h es t a b i l i t yo f r o a d b e da l o n gr i v e rw e r ec o n s i d e r e d a b s t r a c t r e s u l t so fp h y s i cm o d e lt e s ta n dn u m e r i c a la n a l y s i sh a sac e r t a i nr e g u l a t i o n i tc a l l b eu s e dt oa n a l y z et h ec a u s eo fi n s t a b i l i t yo fr o a d b e da l o n gr i v e qe v a l u a t es t a b i l i t y a c t u a l i t yo f r o a d b e da l o n gr i v e ra n dp r o v i d eo p t i m u md e s i g no fr e t a i n i n gs t r u c t u r e s k e y w o r d ：r i v e r s i d er o a d b e d ，d y n a m i c i n s t a b i l i t y , s e e p a g ef i e l d ，s t r e s sf i e l d ， c o u p l i n gc a l c u l a t i n g ，f l a c 图表索 图表索弓 图1 1 沿河路基失稳破坏图片 图1 2 岩体水力学模型框图 图1 3 沿河路基动态失稳机理研究技术路线 图2 1 坡前半填半挖沿河路基 图2 2 填方型沿河路基 图2 3 挖方沿河路基 图2 4 天然沿河路基 图2 5 潜水流中的水头分布 图2 6 沿河路基渗流剖面 图2 7 流网中的渗流力计算 图2 8 典型边坡 图2 9 河流对沿河路基的冲刷和淘蚀 图2 1 0 孔隙水压力分类 图2 1 l 渗流孔隙水压力分析 图2 1 2 岩土体渗流场与应力场的耦合作用 图3 1 室内模型试验设备设计图 图3 2 室内模型试验槽 图3 3 不同渗流边界的土压力计算 图3 4 降雨单元 图3 5 降雨单元率定曲线 图3 6 土压力盒与孔隙水压力传感器 图3 7 传感器接收器和测频仪 图3 8 测压管 图3 9 没有加内罩时填料的流沙现象 图3 1 0 大型土石混合料多功能试验机示意图 图3 1 l 粒径累计曲线 图3 1 2 圆锥下沉深度与含水率关系图 图3 1 3 粉土的击实曲线 图3 1 4 粉土的压缩曲线 图3 1 5 传感器埋设位置 图3 1 6 顶部百分表安放位置 图3 1 7 第一次试验各传感器测量值随水位变化曲线 ：m：2 m坫甜”筋拍拍勰凹弱强粥”柏射铊铊钉邪稻拍钉钉的如钉 图表索g 图3 1 8 第二次试验各传感器测量值随水位变化曲线 图3 1 9 第一次试验传感器0 0 2 、0 5 6 6 测量值随水位变化曲线 图3 2 0 第一次试验c a s e 3 水位为5 0 锄的滞后效应 图3 2 l 第一次试验孔隙水压力随距离变化曲线 图3 2 2 同一测点孔隙水压力和土压力的变化曲线 图3 2 3 第一次试验c a s e i 和c a s e 3 侧向土压力变化曲线 图3 2 4 第一次试验c a s e 2 侧向土压力变化曲线 图3 2 5 各级降雨强度下模型内孔隙水压力分布 图3 2 6 第一次试验h = 1 0 0 锄时的孔隙水压力分布 图3 2 7 第二次试验1 = 1 0 0 锄时孔隙水压力分布 图3 2 8 土体中某微单元的应力状态 图3 2 9 加卸载条件下h e n k e l 系数a 的变化曲线 图3 3 0 h e n k e l 系数与平均主应力的相关变化曲线 图3 3 1h e n k e l 系数与等效剪应力的相关变化曲线 图4 1 随时间变化的外力作用在物体上产生加速度2 、速度齑和位移摊 图4 2f l a c 单元及节点力 图4 3 摩尔应变圆 图4 4 基本显式计算循环 图4 5 封闭边界潜水含水层中的水位变化 图4 6 计算网格 图4 7c a s e l 孔隙水压力和土压力的分布 图4 8c a s e 2 模型内孔隙水压力和有效应力分布 图4 9 监测点侧向土压力的变化 图4 1 0 降雨条件下孔隙水压力和有效应力分布 图4 1 1 某沿河路基边坡计算网格 图4 1 2 渗透系数与稳定系数的关系 图4 1 3 降雨强度与稳定系数的关系 表1 1 各类土渗透系数变化范围 表1 2 孔隙压力系数彳的值 表2 1 渗流对孔隙水压力和有效应力的影响 表3 1 降雨单元率定数据 表3 2c a s e l 和c a s e 3 测量数据表( p p - s e n s o r 0 0 2 、s p - s e n s o r 0 5 6 6 ) 表3 3 第一次试验各水位段孔压典型值 钇舛舛铂卯册“甜舒砸醯醯卯钉乃弭他弛驺跖跖鼹舛奶 ，如鲐 图表索日 表3 4 传感器0 0 3 、5 1 7 7 试验成果 表3 5 侧向土压力试验成果 表3 6 降雨试验成果 表3 7i t e n k e l 系数口测定试验成果 表4 1 计算参数表 表4 2 沿河路基边坡计算参数表 表4 3 沿河路基边坡计算状态 表4 4 沿河路基边坡在不同状态稳定系数变化( 渗流时间：4 8 小时) 表4 5 沿河路基边坡在不同状态稳定系数变化( 渗流时问：4 5 0 小时) 鼹们醪为眇如如如 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学雠文作者虢斌磷 日期：7 年j 月0 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位敝储签名：池岔 日期：磷；月如日 特黼虢础俊军 日期：口，年) 月；口日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 随着我国公路交通事业的发展，山区公路交通状况得到了改善，但山区、丘 陵由于地形所限，公路路线多沿江、沿河布线，出现了大量的沿河路基，多处沿 河路基出现破坏失稳灾害。从调查统计资料来看，主要有四类沿河路基：( 1 ) 路基 为天然岸坡，岸坡为岩体或松散堆积体；( 2 ) 填方路堤；( 3 ) 沿河的挖方路基；( 4 ) 在 不良地质体上修筑形成的路基。 沿河路基与其它路基的显著不同点在于河( 库) 水的存在，由于河流多为季节性 河流，受其地质、地形、地貌条件限制，具有水流情况复杂、流速高、汛期冲刷 强的特点，尤其河曲路段汛期冲刷远远高于顺直路段。也就是说河水的存在，改 变了近河侧路基边缘的水动力条件、路基的地下水文条件，路基的渗透条件，造 成了路基遭受河水的冲刷、地下水的渗透与浸泡、路基岩土体中超孔隙水压力升 高等，导致沿河路基的动态变形和失稳破坏频繁发生，影响了公路的正常使用。 据交通部相关信息，仅在2 0 0 4 年汛期由于云南、贵州、四川、重庆、西藏 等省( 区、市) 出现了持续阴雨天气，部分地区多次遭受特大暴雨侵袭，沿河公路路 基大量发生变形失稳破坏，导致部分路段短时间的交通中断。截至2 0 0 4 年7 月3 0 日，全国公路出现短时间交通中断2 0 0 余次，路基失稳破坏5 1 7 4 公里，导致路面 破坏8 0 3 2 公里。为此交通部曾紧急安排两批资金共5 6 0 0 万元，支持云南、广西、 重庆等地抢修公路。 由于河水的冲刷淘蚀，沿河路基不仅容易破坏失稳而且难于维修。因此，如 果沿河路基失稳，不仅影响了山区交通事业的发展，而且还会给当地的经济建设 事业带来负面影响。 1 2 沿河路基现状 目前山区公路沿河路基现状不佳，尤其有的公路，有些地方随时可能因为水 的冲刷、侵蚀而发生失稳。山区沿河路基失稳的主要表现是塌陷、岩崩和滑坡， 公路沿河岸坡失稳现象在全国是为普遍，尤以西南地区的四川、重庆、贵州、云 南等地区境内最为发育，此类大小灾害每年都有发生。例如1 9 9 8 年1 0 月6 日巴 塘县波戈溪乡国道3 1 8 线3 3 7 k m 3 3 8 k m 之间的巴楚河沿河路基失稳，1 0 0 多万立 方米的滑坡体中有3 0 多万立方米推入巴楚河，3 0 多米高的土坝导致巴楚河被阻断 并形成水库；四川成都九寨沟公路茂县境内的周场坪段为沿河路基，1 9 9 5 1 9 9 8 年问，因为路基内地下水、河流冲刷等作用导致该路基多次失稳，路基多次修建 目前在该段留下5 令高程不同的废弃路基。最终，公路不得不架桥从河对岸通过。 第一章绪论2 该公路因为河水作用而造成的路基变形、失稳的现象随处可见，每年因此维护路 基的费用很高。1 9 9 5 年7 月2 5 日康定境内瓦丹公路2 8 公里处，大渡河左岸落鹰 岩由于河水的作用失稳发生岩崩，8 万多立方米乱石堵塞大渡河，使之断流约半小 时之久。1 9 9 7 年甘孜州苏洼龙乡金沙江左岸发生大型滑坡，一次性约l o 万立方米 的土体滑入江中；9 6 年黑水河德石窝沟右岸哈木山发生大型岩崩；9 4 年武隆县鸡 冠岭发生岩崩，3 0 万立方米的乱石泄入乌江河道。长江上游的岷江、涪江、沱江， 安宁河中游冕宁德昌段的沿河公路等都不同程度存在失稳现象：贵州的乌江，西 藏的泊龙藏布、云南的澜沧江、怒江及其支流也都出现沿河路基的失稳破坏，造 成不同程度的断路和灾害。以长江干流宜宾到武汉段1 7 0 0 多公里的河道为例，公 路路基稳定性差和较差的地段，左岸占5 2 4 ，右岸占5 3 8 。这些灾害不但导 致公路被毁，而且阻塞河道对当地造成了严重社会影响和经济损失。图1 1 为沿河 路基失稳破坏的典型图片。 图1 1 沿河路基失稳破坏图片 f i g1 1t h e s c e n e o f d e s t r o y e d r i v e r s i d e s u b g r a d e 沿河路基所处的环境具有如下三个鲜明的特点：( 1 ) 路基受到水流冲刷与淘蚀 第一章绪论 3 作用；( 2 ) 江河水位变化使路基浸蚀部位变化，坡体内孔隙水压力、渗透压力也发 生变化；( 3 ) 在水岩耦合作用下，路基岩土材料的流变作用会加剧透水层孔隙水压 力变化，甚至产生超孔隙水压，使不透水层产生上浮力，导致路基失稳。沿河路 基的失稳是多种因素特别是上述3 种因素长期作用而发生的一种演变过程。每种 因素都可能在一定条件下成为路基失稳的决定性因素。沿河路基的稳定是相对的， 稳定中存在不稳定性，失稳是各动态因素作用的结果。因此公路沿河路基失稳是 一种动态过程，称之动态失稳。 1 3 课题来源及研究意义 本文依托交通部基础研究项目“山区公路沿河路基动态失稳机理与防治技术” 开展研究工作。研究目的在于以该领域内现有的研究成果为基础，探索沿河路基 动态失稳的发生机理，认识其岩土和水力模型，进行深入的理论分析，以沿河路 基防护工程与支挡结构变形破坏模式为依据，坚持人与自然相和谐，树立尊重自 然、保护环境的理念，建立科学的沿河路基防护工程与支挡结构选择方法，解决 沿河路基防护工程中的关键技术问题。 鉴于目前山区公路沿河路基现状不佳。山区公路沿河路基动态失稳机理与防 治技术研究既可以为确定合理的沿河路基防护工程和支挡结构形式与防护治理方 案提供依据，也可以为沿河路基的防护工程和支挡结构的设计方案选择提供充分 的论证依据。因此，开展本项目的研究，解决沿河路基在水流作用下的动态失稳 机理，为支挡结构和防护工程的选择和设计提供技术支撑，不仅具有极大的经济、 技术价值，而且具有较好的社会效益。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 水在土体中的渗流及孑l 隙水压力的确定 沿河路基是山区公路路基的主要类型之一，由于河水和地下水的作用，路基 不仅容易失稳破坏，且维修困难。通常人们把沿河路基的破坏归结为河水的冲刷 作用，针对水流对公路路基的冲刷作用，文献【l 4 1 从水力学、河流动力学及泥砂运 动规律的角度进行了研究。这些研究成果都是基于水流冲刷作用，并未考虑水与 岩土体之间的相互作用关系，即没有揭露出沿河路基的内在失稳机理。中科院成 都山地所及高冬光在西藏进行了川藏公路沿河路基水毁研究，对沿河路基水毁进 行了成因分析并对其工程防护措施进行了研究 5 6 1 。而沿河路基的破坏失稳是河水 对路基的冲刷淘蚀作用、河水水位的变化引起路基岩土体内的孔隙压力及渗透压 力发生变化而使岩土体发生变形破坏及地下水对岩土体的各种不良作用等三种因 素长期作用下的一种动态演变过程，因此对沿河路基破坏失稳机理的研究不能局 第一章绪论 4 限在水毁范畴，而是包括上述三种因素的综合研究，才能彻底搞清其失稳机理， 为沿河路基支护和防治提供理论依据。 对于水在岩土介质中的运动规律，其实质最终可归结为三方面的问题：( 1 ) 岩 土体介质： 1 1 0 1 1 1 0 一1 0 3 l 1 0 3 1 0 4 1 1 0 - 5 】o 一6 1 1 0 7 地r 水动力掌中给出地r 水= 维非稳足侃，傲分万程： 旦o x f t , r x 塑o x1 ) + 导一等 + 鲁( e 訇= 以等 s ， 如果为稳定流，则其微分方程变为： 瓦a ( l k 训a n 、| + 号一豺旦a z f t , 足，幽a z ) = 。 ( 1 。) 式( 1 3 ) 、式( 1 4 ) 中：心为贮水率，为渗流水头，疋、玛、恐为x ，y ，z 方向的渗 透系数。如果为各向同性介质，即疋= 凰= 疋，那么( 1 4 ) 式变为著名的l a p l a c e 方 第一章绪论5 程： 0 2 h 0 2 h c 9 2 碍。 可+ 可+ 万。0 此时水中渗流水头与流速的关系为： 虬：一疋掣 靠 一k ，o 砂h “；一k ；l 良_ h ( 1 5 ) ( 1 6 ) 根据有效应力原理，饱和土体内任一平面内受到的总应力可分为有效应力和 孔隙水压力两部分，土的变形与强度的变化只取决于有效应力的变化。确定了土 体中的孔隙水压力，也就能确定其有效应力。孔隙水压力可以通过实测，也可以 通过计算求得。在各种经典土力学教科书中详细说明了自重应力情况下静水位条 件和稳定渗流条件的孔隙水压力的计算方法。沿河路基除了要受到河流冲刷淘蚀 作用外，还要受到行车荷载，因此研究附加应力状态下的孔隙水压力就显得非常 重要，此时的孔隙水压力变成由外荷载引起的超孔隙水压力。确定附加应力状态 下的孔隙水压力一种较为简便的方法为利用孔压系数的概念对孔压进行计算【8 】o s k e m p t o n l 9 l 等人认为，土中的孔隙压力不仅是由于法向应力所产生，而且剪力的作 用也产生新的孔隙压力增量。并在三轴试验研究基础上，提出了复杂应力状态下 的孔隙压力表达式： a u = b l 码+ a ( a a , 一o ) l ( 1 7 ) 式中4 ，君分剐为不同应力状态下的孔隙压力系数。a 常用试验测定，丑的表达式 如下： 曰= 瓣1 ( 1 8 ) 1 + 竹e ，c 、。 式( 1 8 ) 中：c v c 分别为孔隙流体与土的体积压缩系数。对于饱和土，曰= 1 ；在 非饱和土的情况下，由于土的孔隙中含有空气，曰 a 0 2 a 吒， h e n k e l i 旧1 针对此情况提出了一个确定饱和土孔隙压力的修正公式： = ；( 吼4 - 吒4 - 吒) + 詈q 一c r 2 ) 2 + ( 吼一乃 2 + ( 吧一吼) 2 ( 1 9 ) 第一章绪论6 式中的口为h e n k e l 系数，需要进行试验测定。而对于非饱和土，毕肖普( 1 9 6 0 ) 提 出了修正的有效应力公式： 盯= o r + 虬一z ( u o u ，) ( 1 1 0 ) 式中z 是一个与饱和度有关的系数，对于饱和土其值为l ，而对于干土则为0 。 d g f r e d l u n d 【“】也详细说明了孔隙压力参数的推导，但同时也重点说明了这些公式 不是用来取代孔隙压力参数的直接量测。墨西哥h u a r e z 勘哦f f d 在对非饱和固结 土的研究中提出了一个可用于三轴实验的重塑土、正常固结或预固结土的孔隙压 力公式，即： 等2 等一陪毒一) 【毒矗】 m 巳 吒k 吒以 it 吒一码j ，j 式中：为平均应力：o c 为各向同性作用初固结应力；u e 是与以体积变形等效 的固结力，正常固结时二者相等；( c r 2 一乃) ，为固结时剪切破坏的应力状态，破坏 时( ( 一吒) ( q 一吒) ，) 4 _ 1 ，实用时可用三轴固结实验确定系数卢。文献 i s l l l 哪在 s k e m p t o n 公式基础上根据有效应力理论，以弹性理论和混合物理论为基础导出非 饱和粘土孔隙压力的一般公式，并由此得出各向同性压缩和侧向约束压缩两种情 况下的孔隙压力计算公式，其表达式见式( 1 1 2 ) 式( 1 1 5 ) 。 各向同性等压的孔隙压力公式： a u = b a o n 1 2 ) 肚碡焉1 吾 l + 二丛二_ 二卫2 j 式( 1 1 3 ) 的中b 为孔隙水压力系数。而侧向约束压缩之孔隙压力公式为： a u = b 吒 ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) 试验结果表明式( 1 1 2 1 1 5 ) 与s k e m p t o n 公式构成一致，其中系数口的试验结果显 示毛细压力对孔隙压力有一定的影响。表1 2 列出了孔隙水压力系数a 的值。 针对应变软化材料破坏过程中的局部变形和剪切带形成问题，在广义吸力概 念的基础上，沈珠江【1 5 】提出了广义孔隙压力模型。该模型设磊为材料变形前所固 有的初始广义吸力，定义广义孔隙压力如下： 第一章绪论7 p 2 一s ( 1 1 6 ) 式中i 称为广义吸力，它的作用相当于非饱和土中存在的毛细管吸力。广义孔隙压 力与原来意义上的孔隙压力不同之处在于后者是可以消散的，而前者则是不能转 移的。广义孔隙压力模型的提出，使得应变局部软化问题可以应用常规有限元方 法进行分析，从而为解决实际工程中的逐渐破坏问题开辟了新的途径，对于分析 沿河路基的渐进性破坏具有重要意义。但应该注意到，运用浮容重简化有效应力 的计算，在无渗流的情况下是对的，而在有渗流的条件下只是近似的。在计算机 已经普及的现在，这样简化的意义已不是很大，应当尽可能采用总应力减去孔隙 压力的正规算法【1 6 】。 表1 2 孔隙压力系数a 的值 t a b l e l 2t h ev a l u eo f p o r e - p r e s s u r ec o e f f i c i e n t a 在荷载作用下，路基边坡土体中会产生超孔隙水压力。对于荷载所引起的超 孔隙水压力，众多学者对此进行了研究。如邓子胜【l 刀利用振动试验研究了饱和细 粒物料中的超孔隙水压力，获得了超孔隙水压力随时间变化关系定量曲线，论述 了饱和细粒物料在振动作用下其超孔隙水压力的产生、发展和消散三个阶段，孔 隙水在超孔隙水压力作用下向负压区流动而使超孔隙水压力逐渐消散。连镇营1 1 8 】 经过计算分析，比较了两种渗透系数下的土体超孔压的消散规律，研究了坑壁的 侧向变形随固结时间的变化趋势，给出了坑底超孔压分布的三维性状。文献【1 9 1 利 用土力学、土动力学及地下水动力学的原理建立了超孔压模型，并对唐山沿海地 区砂土液化进行了研究。文献【2 0 】【2 l 】研究了沉桩所引起土体中超孔隙水压力，引入 时间、深度参数分析在饱和软粘土中沉桩时引起的超静孔隙水压力，给出了考虑 固结效应的超静孔隙水压力的三维解析解；分析了超静孔隙水压力的消散过程中 桩周土发生曼德尔效应的时间和区域，提出了在群桩施工过程中土体中的超静孔 隙水压力是消散与累加的综合过程。文献【皿j 通过对挤土桩桩基施工过程中实测资 料的分析和理论研究，对饱和软土中桩群范围内超孔隙水压力的产生、分布和变 化趋势进行了探讨，对桩群外超孔隙水压力的分布规律和影响范围也进行了讨论， 并认为单桩周围的土压力增量和超孔隙水压力可用圆柱孔扩张理论近似解表示。 第一章绪论8 张均蜂、孟祥跃二人【2 3 】对冲击时饱和砂土超孔隙水压力进行了试验研究，得到了 其建立和消散过程，分析了多次冲击对超孔隙水压力建立的影响，得到了一次冲 击就能使饱和砂土完全液化的冲击强度临界值。 1 4 2 地下水对岩体及其裂隙的力学作用 节理岩体不同于土体，它不是由细颗粒组成的多孔介质，而是被裂隙切割后 的岩石块体所构成的实体，是一种多相介质体系，具有各向异性，不连续性及非 均质性的特点。是具有某种几何形状的不连续裂隙系统。因此，岩体的渗流相对 于土体的渗流是不一样的，有着相当大的区别。对于大多数的岩石块体而言，其 渗透性是相当弱的。但岩体是由裂隙切割的岩石块体组成的，岩体中的裂隙系统 就构成了岩体的透水系统。有裂隙的岩体与无裂隙的岩石块体相比较，其渗透系 数要大3 5 个数量级洲。并且节理岩体中的裂隙可以分为好多组，因此裂隙岩体 渗漉是各商异性的。节理中水的渗流与节理的张开度有关系，也与节理表面的租 糙度有关。为了方便研究水在裂隙中的流动，必须将裂隙进行一定程度的简化或 抽象，最早是将裂隙简化为两块光滑平行板构成的缝隙。s n o w l 2 5 l 对缝隙水力学进 行了开创性的实验研究和理论研究，建立了通过裂隙的流量与隙宽3 次方成比例 的经典公式，即： g = 巧巾= 芝1 2 t ，f ( 1 1 7 ) 式中为水的粘滞系数，卉为水力梯度。 当节理面粗糙，节理开度也是变化的，且节理内常有各种充填物充填时，立 方定律丧失了其应用条件，不能准确描述粗糙节理水渗流状态，这是不能解决实 际问题的。为此，可以采取修正节理开度的方法网和修正渗透系数1 2 _ 7 】两种方法进 行。 裂隙在非饱和状态和部分裂隙饱和状态下同饱和状态相比，其水力特性是不 同的【2 钔。饱和状态下其裂隙孔隙压力是大干0 的，绝大部分水流是按照立方定律 分布在大的裂隙里；在非饱和状态下，裂隙孔隙压力为负值，绝大部分水流分布 在隙宽较小的范围内，其大隙宽区因毛细管吸力较小而不能持水。文献 2 4 1 认为大 多数坚硬岩石的c 、庐值不会因为水的存在而有显著的变化。但剪切强度降低是因 为节理面有效法向应力降低所引起的。节理中地下水的存在，降低了软岩节理的 强度，使硬岩中非贯通节理的尖端产生应力集中而使裂隙容易扩展和变形。确定 坚硬岩体的强度特性时，裂隙孔隙水压力比含水量更为重要。但对如泥岩等软岩 来说，除了要考虑地下水降低岩体节理的有效法向应力外，还要考虑c 、庐值的变 化，岩体中的渗透压力对岩体的变形有着非常重要的影响，渗透压力导致节理的 第一章绪论 9 扩展和变形，而节理的扩展和变形又加大地下水渗流，二者相互作用，影响岩体 的稳定性。文献口9 】由均质裂隙岩体不同深度的钻孔压水试验资料提出岩石渗透系 数与正应力的著名半经验公式： 毒= 南矿哪 ( 1 1 8 ) 并认为正应力很小时，裂隙隙宽为零的接触区类似一些相互独立的小岛；正应力 很大时接触区扩大成为中间有湖泊的陆地。因此，裂隙内是否能形成水流与裂隙 尺寸有关。郑少河、赵阳升【捌等人用实际裂隙进行了三轴应力条件下的渗流试验， 在假定裂隙面的剪应力为零的前提下，提出了改进公式： | j ，：_ j e x p 一三i ! l 三! 垒! 雩? 划 ( 1 1 9 ) l a j 式中0 2 为裂隙的法向应力：蜀是裂隙的法向刚度；p 为裂隙内的水压力；，为系 数。式( 1 1 9 ) 相对式( 1 i s ) 而言考虑了三维应力，但只考虑了应力的一个主方向与裂 隙垂直的特殊情况。 1 4 3 降雨及河水位变化对路基的影响 沿河路基除受河水的冲刷淘蚀作用外，降雨入渗会影响路基及边坡稳定；路 基边坡会因河水位周期性变化而失稳；路基边坡地下水会在降雨和河水位周期性 变化的情况下与河水进行水交换。同时由于沿河路基岩土体的特殊性，传统的饱 和土渗流及稳定分析方法无法描述水位升降过程中路基边坡中孔压场的变化及对 其稳定性的影响规律。因此，沿河路基毁损问题中的渗流影响具有一定特殊性。 针对边坡对降雨的响应，文献1 】【3 2 1 进行了试验研究。其中文献 3 1 1 利用枣阳境 内大冈铺二级泵站引渠边坡进行实地降雨模型试验，并利用非饱和土简化固结理 论数值模拟与监测结果进行比较，结果显示非饱和土简化固结理论可以模拟膨胀 土渠道边坡降雨入渗过程，并能全面反映边坡在入渗过程中吸力丧失、有效应力 降低和土体膨胀回弹及水平变形的全过程。文【3 2 】针对成渝线典型路基边坡对降藤 过程的响应进行了模型模拟研究，认为对边坡渗流场和应力场产生显著影响的降 雨过程应该满足3 个基本条件：雨前经历过较长时间的炎热天气，土层蒸发强烈、 初始渗透性良好；降水过程以中到大雨开始，且持续较长时间；降水量大，但边 坡的破坏不一定在地下水位最高处发生，很可能发生于水位回落过程中。连续降 雨在路基地下水位以上非饱和区形成暂态饱和区，使原来负的孔隙压力变成正的 孔隙压力，其实质是导致路基岩土体非饱和区基质吸力降低。降雨渗入路基是饱 和非饱和、稳定和非稳定渗流过程。 文【” 3 5 】针对饱和月e 饱和渗流对边坡稳定性影响规律进行了研究。文 3 3 1 研究 第一章绪论1 0 了非饱和土强度随基质吸力变化的规律，对基质吸力影响边坡稳定性的机制进行 了探讨，并提出了相应的分析方法。文 3 4 1 根据岩土饱和非饱和渗流理论，考虑 降雨入渗的影响，利用有限元方法，对强降雨条件下公路边坡地下水渗流场动态 进行了数值模拟，得到了降雨过程中边坡地下水压力水头、总水头变化和流速的 变化规律。文【3 5 】建立了饱和非饱和土的稳态和非稳态流的二维数值模型，并针 对公路边坡进行了降雨过程边坡地下水的数值模拟，得出基质吸力的存在大大降 低了土的渗透系数这一结论。 路基边坡地下水会与河水进行水交换和相互补给，这种交换补给过程是随着 地下水位和河水位变化而变化的动态过程。故研究路基边坡岩土体水头的时空分 布是一项重要的研究内容。文【蚓对河渠边界控制的半无限含水层，建立垂向入渗 与河渠水平渗透共同作用下的潜水非稳定渗流模型，并给出了模型的解析解，根 据解的数学特征讨论了其对应的物理意义和潜水位的变化规律。文【3 卜3 8 】研究了不 同渗透系数滑坡体的稳定性受库水位下降速率影响的变化规律，得到了库区降水 速率、渗透系数与边坡稳定性之间的关系，其研究结果对于沿河路基毁损问题中 的渗流影响是有一定借鉴意义。 1 4 4 介质模型及渗固耦合研究现状 岩体水力学模型的类型 分布参数型模型 图1 2 岩体水力学模型框图( 据仵彦卿) f i g1 2c h a to f r o c kh y d r a u l i cm o d e l s 张有天1 3 9 1 将不同的模型归结为两类：离散模型和连续介质模型。经过整理， 离散模型分析方法又有裂隙水力学、典型裂隙面模型和m o n t e c a r l e 模拟；连续介 第一章绪论 质模型分析方法含有有限元法、边界元法和电阻网络法三种。而仵彦卿将岩土体 介质模型总的也分为两类：集中参数型模型和分布参数型模型。集中参数型模型 又分为多变量自回归模型、人工神经网络模型和非线性混沌动力学模型；分布参 数型模型可分为连续介质模型、等效连续介质模型、裂隙网络模型、狭义双重介 质模型和广义双重介质模型五类1 4 0 4 3 1 ，其模型结构见图1 2 。 在此基础上，为了方便建模分析，将岩土体介质模型进行抽象，概括为大的 三类：等效连续介质模型、裂隙网络模型和裂隙孔隙介质模型m 。 等效连续介质模型就是把岩块裂隙系统等效为连续介质，用连续介质理论描 述渗流方程。其优点是可以直接应用较成熟的孔隙介质渗流理论，但其不足之处 也是较为明显的：适用范围常受到限制；典型单元体的大小和等效水力参数较难 确定；不能很好地刻画裂隙的特殊导水作用。l o u i sc 1 4 5 】曾提出，把裂隙岩体当作 连续介质还是不连续介质应小心进行分析。 裂隙网络模型认为岩块不透水，整个地下水运动是通过裂隙网络进行，其渗 透性在保持流量相同的原则下用连续介质渗透张量表示。该模型能较好地描述裂 隙岩体渗流的非均质各向异性。裂隙网络模型中用得较多的是l o n gj = c s l 4 6 】提出 的圆盘裂隙网络模型和d e r s h o w i t z 形& 4 7 1 提出的多边形裂隙网络模型。这两种模型 的本质区别在于裂隙端部的接触方式不同，前者尖灭于完整岩石中；后者以交线 形式与另一组裂隙相接。但是否可按等效连续介质模型处理的前提是：存在样本 体积单元r e v , 且r e i 的体积相对较小：渗透张量满足渗透椭圆或渗透椭球。 裂隙孔隙介质模型也是一种连续介质模型。该模型认为岩块孔隙及微裂隙系 统和裂隙系统连续地充满整个研究域，把裂隙岩体看作是具有不同水力参数的两 种连续介质的叠加体，渗流场均建立在d a r c y 定律的基础上，依据两种介质间的 水交换项来联立求解各自的渗流场。但是该模型在实际应用时却难以确定其物质 交换系数，在一定程度上影响其拟真性1 4 3 4 s 1 。 当荷载不是太大，孔隙的变形相对较小，且不会明显影响介质的渗透系数时， 可将孔隙介质渗透系数当作常量处理。这种方式多用于工程问题中。孔隙介质渗 透系数较小，在突然加载时，其孔隙水压力会增大，有效应力降低；随着时间增 长，孔隙水压力会消散，其h m 耦合形式体现为孔隙压力与应力随时间变化，表 明渗流场与应力场的相互作用，也称之为固结。b 如9 提出了固结理论： t，1 上，、 七v 删+ v m + = - ；i ：芝( p ，f ) = 0f ，_ ，= l ，2 ，3 ( 1 2 0 ) l 一厶“ 1 2 , 1 ( 文献【5 0 】通过非线性有限元数值分析求出了土坡内部的有效应力场、位移场和 孔隙水压力场，并确定可以对开挖土坡变形和稳定性进行长期性状预测。文献【5 ” 第一章绪论 1 2 给出了平面应变条件下建立在平衡微分方程及渗流连续性方程基础上的b l o t 固结 方程，认为该方程中的耦合矩阵是单元节点孔隙压力所对应的那部分节点力，其 实质上体现了固结过程中孔隙压力对节点位移的影响。李培超【5 2 j 推导了基于多孔 介质的饱和多孔介质有效应力原理，并将该有效应力原理引入流固耦合渗流中， 根据平衡条件得出了应力方程；由耦合渗流的物理特性建立起孔隙度和渗透率动 态模型；考虑耦合情形下多孔介质骨架变形特性和流体的可压缩性，得到了孔隙 流体的连