（岩土工程专业论文）环境温湿度对石灰处治膨胀土路堤边坡稳定性影响的数值模拟研究.pdf

环境温湿度对石灰处治膨胀土路堤边坡稳定性影响的 数值模拟研究 摘要 有关公路处治膨胀土路堤在经过一段时间运营，经历几个环境千湿循 环后土体性状变化的研究，对分析评价其稳定性具有重要的实际意义。本 论文从土体内部温湿度场变化及其对土体强度的影响入手，建立土体热湿 耦合模型，使用有限差分软件f l a c 对石灰改良膨胀土路堤边坡长期稳定性 进行分析，并结合室内模型试验结果，验证了其热力学及非饱和渗流模型 的合理性，并对石灰处治膨胀土路堤边坡在湿热环境下其内部温度场以及 湿度场分布情况进行了探讨。 影响温度传导的最主要因素为土体热传导系数，它取决于土壤的颗粒 组成，化学成份、干容重、湿度等。路堤边坡土可视为均质土，其颗粒组 成、化学成分一定，干容重以及孔隙率在土体未发生大的破坏之前也可视 为定值。因而土体湿度是影响土体热传导的关键因素为。含水量变化对温 度传递的影响虽然没有直接通过耦合方程表现出来，但模型中温度传导系 数设置为关于含水量或饱和度的函数，则可以实现温湿耦合。 在室内模型试验中，环境温湿度对边坡土体温度的影响深度约为2 m ， 土体表面o 5 m 深度范围内温度变化幅度较大。边坡土体坡面位置的温度变 化幅度相对于坡顶和坡角处要大。由于土体的导热系数较小，随着土体深 度的增加，温度的滞后效应比较明显。 室内干湿循环三轴强度试验得出石灰处治膨胀土强度随千湿循环次数 的增加而衰减，尤其在土体经过干湿循环并且浸泡饱和之后强度衰减更为 显著。运用f l a c 软件对三种石灰处治膨胀土路堤边坡模型在三种工况下的 稳定性进行分析计算，结果表明环境因素引起的土体干湿循环对土体强度 以及边坡长期稳定性的影响非常明显，决定了路堤边坡的长期稳定性能。 关键词：石灰处治膨胀土温度湿度稳定性f l a c 数值模拟 t h en u m e ric a lsim u l a t10 nt h a te n vir o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n d h u mid it ya f f e c tt h es t a billt y0 ft h ellm et r e a t m e n t e x p a n siv es 0lle m b a n k m e n ts l o p e a b s t r a c t t h e 心s e a r c ho nh i g h w a ye m b a n k m e n to ft r e a t e de x p a n s i 、，es o nb o d yp r o p e r 哆 g o i n gt h m u g hs e v e 豫1w e t - d r yc y c i 伪，t a k e st h ei m p o n a n ts i 驴m c a n c ef o re v a l u a t i o no n s o i ls t a b i u 舭t h i st h e s i sa f f e c “h ef u n c t i o nc o m i n gt os t u d yl i m es t a b i h z e d 娌p a n s i ，es o i l m a de m b a n k m e n tl o n g - t e 珊s t a b i l i 锣b yt h ef a c tt h a tt h el o c a li n s i d e st e m p e 豫t l l 他6 e l d a n dm o i s t u i e6 e l dc h a n g i n ga n de f i e c t e dt os o n ，b u i l d i n gah e a ta n dm o i s t u l ec o u p l e d m o d 吐u s e6 n i t ed i f f e n n c es o f t w a 聆f l a ct oc a r r yo u ta n a l y s i so nl i m es t a b i u z e d e x p a n s i 、，es o ne m b a k m e n tl o n g - t e 珊s t a b i l i 蛆r a t i o n a l i t ) rh a v i n gv e r i 6 e dw h o s e t h e 珊o d y n a m i c sa n d t h ei n s t a u 均t i o nt r a n s f u s i o nm o d e lu s e di n t e r i o rm o d e le x p e r i m e n t s u 心w h o s ei n s i d et e m p e r a t l l 心s t i l d i 髓u n d e rc o n c e n t m t i n go np u n i s h i n gt h ee x p a n s i v e s o ne m b a n k m e n ts i d es l o p et ol i m ei ns t i c 坶e n v i m n m e n t 嬲w e u 嬲h u m i d i t ) r6 e m d i s t r i b u t i o nc o n d i t i o nh a sb e e ni np m g r e s s m i g r a t i o ng o i n gd o w nr 量y e rs y s t e mi nt h e t e m p e 鞠n l nc i k u l a t i o ni ss l o w 盯b e c a u s es t a b i l i z e ds o ns e l r sc l o s e 眵l m i td e g r e ei s c o m p a m t i v e 炒t a u ， t h ep e m e a b i l i t ) rc o e m c i e n tt h a tf o 珊u l a 豫a c h 懿a c c o r d i n gt o 旺p e r i e n c ei sa l s oc o m p a r a t i v e 眵i e s s ，m o i s t l l 聆i sc o m p a r a t i v e 炒b i gs o no u t s i d e s ，a n d t h ee v a p o r a t i o nc a p a c i t yi sa l s ol i m i t e d a j f f e c t i n gt h et e m p e r a t l i i ec o n d u c t i o nf l a c t o ri nc o n d u c t i o no fh e a te q u a t i o ni sas o n c o n d u c t i o no fh e a tm o d u h l s ，t h ef i a c t o ra f f e c t i n gt h es o nb o d yc o n d u c t i o no fh e a t m o d u i e sh a sm a n y ，i ti n c l u d e ss o nf a n u l a rg r a d i n g ，c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，m a x i m u m d r yd e n s i 锣，s o nm o i s t l i 他e t c t h es o i l o fe m b a n k m e n ts l o p ec a nb es e e n 嬲a h o m o g e n e o u ss o i l ，a n di t sp a r t i c l ec o m p o s i t i o n ，c e n a i nc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，d r yb u l l 【 d e n s i t ya n dp o r o s i t yo ft h es o nh a sn o tb e f o r ee x t e n s i v ed a m a g ec a na l s ob es e e na sa f i x e dv a l u e ，t h eo n 炒i m p a c to ns o nt h e m a lc o n d u c 小，i 够o ft h ef h c t o 璐f o rt h ew a t e r c o n t e n t c h a n g e si nw a t e rt e m p e r a t u 心o nt h et 翰n s f e ra l t h o u g hn o td i r e c t l ya f 艳c t e db y c o u p l i n gd e m o n s t r a t e db yt h ee q u a t i o n ，b u ti nt h i sp a p e bt h em o d e ic a nb ef l a c s o f t w a 代t e m p e r a t u r ec o n d u c t i v i 锣i ss e tt os a t u r a t i o no t h ew a t e rc o n t e n to rf o 珊o f a i i f u n c t i o nc a nb ea c h i e v e dt e m p e 随t l l 阳a n dh u m i d i 锣c o u p l i n g i nt h ei n d o o rm o d e lt e s t ，t h ed e p t ho fi m p a c to ns l o p es o i lb o d yt e m p e r a t u 心a n d h u m i d i 锣b yt h ee n v i m n m e n ti s a b o u t2 m ，t e m p e 豫n i c h a n g e sr e l a t i v e l yl a r g e 炒i n 豫n g eo fo 5 mu n d e rt h es o nb o d ys u r f a c e t h et e m p e r a t u 他o ft h ed o m a t i cp o s i t i o no f s l o p ea n ds o i lb o d yc h a n g e sm o r el a r g e l yt h a ns l o p ec a r i y i n ga n ds l o p ea n g l ep l a c e b e c a u s et h eh e a tc o n d u c t i o nc o e 仿c i e n to ft h es o i lb o d yi si 屯l a t i v e l ys m a u ，t h el a g g i n g e f f e c to ft e m p e 豫t l l r ei sm o 他o b v i o u sw i t ht h ei n c 阳a s eo fs o nb o d yd e p t h a c c o r d i n gt ot e s t 他s u l to fi n t e n s i 锣o ft h n ea x l e sw i t hd r y w e tc i r c u l a t i o n ，t h e i n t 钮s i 锣o ft a t e de x p a n s i v es o nb y h m ed e c a y sw i t ht i m e si n c 聆a s i n gd r y w e t c i l c u i a t i o n ，e s p e c i a l l yt h ei n t e n s i t yo fs o na f t e rd r y e tc i r c u l a t i o na n dn n a u y s a t u r a t e d d e c a y sm o 心o b v i o u s f l a cs o f 细a o n 恤eu s eo ft h 他el i m et n a t m e n t 甑p a n s i v es o n e m b a n l m l 蚰ts l o p em o d e li nt h ec o n d i t i o no ft h 北eo ft h es t a b i l i 劬t h e 心s u l t ss h o w e d t h a te n v i m n m e n t a if a c t o 飓c a u s e dt h es o nd 呵a n dw e tc ) r c i e so ns o ns t i e n g t ha n d l 蛐g - t e ms t a b i l i 锣o ft h es l 叩ei sv e r yo b v i o u s l y t h ed e c i s i o no ft h ee m b a n k m e n ts l o p e o ft h el o n g t e r ms t a b i l i 何 k e yw o r d s ：l i m e 仃e a te x p a i l s i v es o i l ；t e r n p e 誓a t u r e ； i u m i d 时；s 切b i l i t y ； f l a c ；卜r 山：i l e r i c a ls i 埘【u l a t i o n ； i i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：魏垒 学位论文使用授权说明 二庐2 年多月参日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囱即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：施垒 刷噬荪j 币 广西大学硕士学位论文环境温湿变化对石灰改良膨胀土路堤长期稳定性影响的数值模拟 1 1 选题依据及研究意义 第一章绪论 随着高速公路建设的发展，在路基建设中的膨胀土灾害问题日渐严重。众所周知， 主要由强亲水性矿物( 蒙脱石和伊利石) 粘粒成分组成的膨胀土具有吸水膨胀、失水收 缩和反复变形性，其强烈的湿胀干缩性和土体中杂乱分布的裂缝，对工程结构物具有严 重的破坏作用。特别是对高等级公路路基工程和大型结构物所产生的变形破坏作用，往 往具有长期、潜在的危险n 羽。公路路基施工技术规范j t j 0 3 3 9 5 第9 1 3 5 条对膨 胀土路基填筑有明确的规定：强膨胀土稳定性差，不应作为路基填料；中等膨胀土宜经 过加工、改良处理后，可作为填料；弱膨胀土应根据当地气候、水文情况及道路等级加 以应用，直接进行弱膨胀土路堤填筑时，应及时对边坡及顶部进行防护口1 。 高速公路膨胀土治理中针对不同的工程实际问题，采用各种方法进行处理。常见的 处理方法是在膨胀土中添加一定量的石灰、粉煤灰、水泥等进行土性改良，其中以添加 石灰和粉煤灰最为常见。目前，已有大量针对膨胀土改性试验和施工技术的文章发表。 部分研究成果已直接运用于实际工程中，指导工程建设。 在膨胀土路基填筑过程中，含水量和压实度一直是人们最为关心的问题。在长期施 工中，虽然已逐渐具备丰富的施工经验，并形成较为完善的施工工艺和改性土填筑控制 标准，但在机械压实后，经过一段时间，经历几个干湿循环、寒暑变迁、雨淋霜冻后， 土体后期性状将会出现什么变化呢? 含水量是增加还是减少? 压实度会不会出现反弹? 膨 胀土路基内是否还存在水分再迁移? 这些对膨胀土改性研究，确保处治膨胀土路堤长期 性能稳定，都具有重要的实际意义。遗憾的是对这些问题的研究很少开展，鲜见文章发 表。本课题结合以上问题，开展广西公路处治膨胀土路堤长期性能的研究项目，研究石 灰改良膨胀土路堤后期受环境温湿度因素影响下土体内部温湿度场的变化情况、边坡位 移情况，以及对填筑土体强度的影响，从而为石灰改良膨胀土路堤长期稳定性研究提供 理论基础。 从非饱和土的强度公式可知：非饱和土强度主要与土中土粒间的吸力和土的结构有 关h 5 1 。由此可知膨胀土的强度也是主要受到土中土粒间的吸力及土的结构的影响，而 吸力对水分的迁移十分敏感，随着土体内水分的增加，吸附强度将逐渐减弱，土中的水 广西大学硕士学位论文环境温湿变化对石灰改良膨胀土路堤长期稳定性影响的数值模拟 分迁移主要受到土中温度场的影响，并且最新的研究表明汹1 ，温度的变化对膨胀土的强 度也是有影响的，所以土体强度的变化是一个动态的过程。石灰改良膨胀土主要是通过 化学的方法消除或减弱其膨胀性，并使粘粒间的结合力增强，从而改善膨胀土的强度。 但随着掺灰处治膨胀土路堤的营运时间的增长，期间不断受到汽车荷载、气候环境( 温 度、湿度、降雨) 等因素的影响，土粘粒间的结合力也将发生变化，影响到路堤的长期 稳定性。 国外对公路处置土长期性能的研究已经进行了几十年，我国在这方面相对来说比 较缺乏。研究典型自然条件下公路掺灰膨胀土路基的长期使用性能，对于防止膨胀土地 区公路工程地质灾害的发生，确保公路安全畅通，提高膨胀土公路的质量，保证公路具 有良好的使用性能，延长公路的使用寿命都具有巨大的社会意义。通过从土体内部温湿 度场变化的角度入手来研究石灰改良膨胀土路基的长期性能，提出提高处治土路基长期 性能的措施，合理地解决膨胀土弃方，解决我国广泛分布的膨胀土作为路基路床填料的 有效利用问题，对于节约土地、保护耕地和环境保护具有良好的社会环境效益。 因此，本研究针对上述问题，通过总结前人经验，建立土体热湿耦合模型，使用 有限差分软件f l a c 进行计算，结合室内模型实验结果，验证了其热力学及非饱和渗流 模型的合理性，并重点对石灰处治膨胀土路堤边坡在湿热环境下其内部温度场以及湿度 场分布情况以及边坡位移进行研究，从环境温湿度变化对土体强度的影响入手，研究掺 灰处治膨胀土路堤长期稳定性能，对保证公路在设计年限内的正常运营，提高路堤的长 期稳定性能，指导在建或待建高速公路处治膨胀土路堤的设计、施工，都具有巨大的经 济和社会意义。 1 2 国内外膨胀土处治技术及其研究发展现状 1 2 1 膨胀土处治分类 目前国内外普遍采用的膨胀土处理方法分为两大类： 一类是对其进行了多种物理和化学改良，通过添加非膨胀性的粗砂、粉煤灰等填充 物，添加生石灰、水泥、石膏、水玻璃和n c s 固化剂等改性物，铺设土工合成材料等措 施来降低或消除击实膨胀土的膨胀性、裂隙性，达到改善强度和变形稳定性的目的，起 到了较好的减轻或根治病害作用，但也存在以下一些问题：室内与实际处治效果有一定 差异，如应用最广泛、经验积累最丰富的石灰改性方法，还存在着如何将块状或过湿的 2 广西大学硕士学位论文环境温湿变化对石灰改良膨胀土路堤长期稳定性影响的数值模拟 膨胀土与石灰粉充分拌和均匀和掺灰量控制的问题；对采用单一处治方法的理论与应用 研究较多，对采用物理与化学综合处治方法的理论与应用研究较少。 另一类是对堤芯部分直接采用膨胀土填筑，路堤周边用非膨胀土或改性膨胀土外包 封闭的方法，但在路床范围内膨胀土填筑厚度很小或不采用。国内主要以重型击实室试 验取得的最优含水量和最大干密度为依据，将填料控制在最佳含水量附近进行压实，其 压实度作为路基填筑的基本控制指标，国外如美国较早采用加州承载比( c b r ) 方法作 为基本控制指标。近几年来我国的规范也对c b r 值提出了要求，也开展了综合压实度和 c b r 值对路基压实进行联合控制的试验，如根据压实膨胀土的c b r 特性，提出将压实含水 量控制在比最佳含水量略大时进行压实的方法，使路基土获得了更好的长期水稳定性。 但在用压实度作为膨胀土路基填筑的基本控制指标时，应考虑到压实度越大，在淋水后 膨胀土土体有可能强度衰减更快。 1 2 2 石灰改良膨胀土研究现状 膨胀土膨胀的主要原因是交换性阳离子和层间底面的水化作用，膨胀土掺入石灰后 膨胀土性质改变的机理为：石灰水化产生大量的c a 2 + ，膨胀矿物蒙脱石、伊利石吸水的 同时，也把大量的c a 2 + 和溶液中析出的c a ( o h ) ：吸附到其颗粒周围，矿物颗粒晶格边缘破 键产生的电荷吸附c a 2 + 来取得平衡，这些作用形成的石灰水化物在膨胀土矿物表面聚集。 粘结和聚集在膨胀土表面的c a ( o h ) ：，经硬化结晶，形成一种防止膨胀土颗粒内水外散和 外水内浸的固化层，通过粘土颗粒的絮凝，土的组织发生了变化，随着石灰含量的增加， 减少了粘性土粒含量，因而相应地减小了膨胀与收缩，降低了膨胀土的亲水性，增强稳 定性。掺石灰能减小塑性指数，但掺灰率并不是越多越好。当石灰剂量超过某一值时， 过多的石灰在土中自由存在，使石灰土的强度降低，粘聚力变差。因此应通过物理和力 学性质、胀缩性、水稳性等试验来确定其掺灰率。通过不同掺灰率压实试样的性能试验， 比较不同掺灰率对消除膨胀土的胀缩性，力学性质的效果等。 从石灰改良膨胀土的提出到现在我国在这方面已经做了很多相关研究，其中早在9 2 年黄世飞对石灰土整治膨胀土路基基床病害做了专门调查研究，郑桂兰1 介绍了膨胀土 地基的特性，分析了膨胀土往复湿胀干缩对公路工程的危害。通过试验确定掺加石灰加 固膨胀土的方法，并指出膨胀土地基施工时的注意事项。石坚口1 等在前人理论的基础上， 对宁靖盐高速公路在施工中所遇到的膨胀土进行了一系列的改性处理试验，总结出膨胀 土改性的具体办法，并对具体的施工工艺作了相应的研究。王新强哺3 通过对膨胀土路基 广西大学硕士学位论文环境温湿变化对石灰改良膨胀土路堤长期稳定性影响的数值模拟 填料掺石灰处理后的物理力学性能及胀缩性试验，得出了掺石灰对改善膨胀土路基填料 工程性质的影响，以供公路路基施工时参考。郭志勇阻1 结合己有的研究成果和某路段的 实际情况对该路基膨胀土进行了改性试验和动力特性试验研究，改性剂采用当地易购的 石灰按不同的比例进行试验。通过不同石灰掺量下改性土的常规试验、强度试验、膨胀 试验和动力三轴试验研究，认为改性后的土样其工程特性和力学强度指标都有了较大幅 度的提高。程平、姚海林n 们等试验研究了用石灰改良膨胀土的胀缩性、强度、力学性质 等方面的变化，试验结果表明干法与湿法击实有较大的区别，石灰改良膨胀土掺灰量和 检验标准可以从膨胀性能和强度两个方面确定。陶飞飞n 妇等结合南宁至坛洛高速公路、 南宁至友谊关高速公路工程实际对石灰改良膨胀土力学性能试验进行了研究。 前人在石灰改良膨胀土的研究方面大多数都集中在其物理力学性质实验方面的研 究，而环境因素对石灰改良膨胀土的长期稳定性影响，以及根据实验数据结合数值分析 软件对实验数据进行分析与反分析的研究却鲜有报道。 1 3 温度场、湿度场耦合模拟研究现状 围绕温度场、湿度场耦合问题，国内外学者，特别是在岩土工程领域和农业领域， 进行了一些研究工作，提出了很多理论和模型。 1 3 1 国外学者的研究成果 k l u t e 将r ic h a r d s 等温方程改进为非等温扩散流方程，来考虑温差下液态水分体扩 散n 2 1 。在此基础上p h i l i p d e v r i e s 删、d e v r i e s n 4 3 建立在质量和能量平衡基础上的水 气热耦合运移理论，提出土中液、气两相水流在水热梯度共同作用下的运动模型。该 方程经m i l1 y n 阳修改以考虑成层土的热湿耦合运移。 a a s s e r a td es i l a n s 嘲采用p h i l i p & d e v r i e s n 3 1 提出并由m i l l y 阃修改的方程来 描述热湿耦合运移，以p r a n d t l 方法和m o n i n o b u k h o v n 刀方法描述在大气低层的动量、 热和质量迁移，建立了一个大气边界层耦合的非饱和土的水热迁移方程。 w i l s o nn 阳1 9 1 1 采用d a r c y 定律、f i c k 定律和f o u r i e r 定律来描述液态水、气态水和 热量的运移，建立了热湿耦合的控制方程，土体与大气的耦合采用修正的p e n i i l a n w i l s o n 公式来连接。通过对在室内可控制气候条件下一维土柱蒸发试验的模拟，证实了 该模型的正确性，并建立了实际蒸发率和土体吸力的关系。采用该理论具有代表性的是 4 广西大学硕士学位论文环境温湿变化对石灰改良膨胀土路堤长期稳定性影响的数值模拟 一维瞬态热质迁移有限元程序s o i l c o v e r 。d a s w a n s o n 乜妇等采用该程序对土层的水力参 数进行现场标定，并模拟了大气降雨和蒸腾作用下某银矿废弃场上覆盖土层的液态水和 气态水的运动过程，预测和实测结果十分吻合。 e e a 1 0 n s o 嘲等采用热湿力耦合的分析程序对路堤在不同气候条件下的变形、 含水量和温度进行数值模拟，土体本构模型采用线弹性应力应变关系，并考虑热的扩散 效应和热膨胀造成的变形。通过数值模拟分析了在路堤工程中径向排水沟的最优位置和 合理深度。 s 锄m o r i & t s n b o y a 衄a 剜和s h i m a d e 制用有限元法进行了非饱和渗流计算；y a os u n 纠 认为空气压力对非饱和土的渗流有明显的影响，并发展了应力一两相流的耦合理论用于 分析降雨引起的土坡浅层破坏，推导了将多相流与多孔介质固相耦合的控制方程，并用 一个把吸力、饱和度和孔隙比联系在一起的状态方程作为附加方程；t h o i n a s m l 进行了非 饱和土热、水、气的耦合分析，并考虑体变的影响； 1 3 2 国内学者的研究成果 贺再球、王铁行等嘲1 综合考虑液态水和气态水两种迁移方式研究非饱和土体中的水 分迁移问题，并研究了温度影响下的非饱和黄土水分迁移问题； 陈建斌、孔令伟口2 1 在由m i l l y ( 1 9 8 4 ) 提出的土中液、气两相水流在水热梯度共同作 用下的运动模型的基础上，从非饱和土力学和热力学方程入手，推导了液、气、热藕荷 流动方程，并通过降雨和蒸发与外部大气建立起桥梁，将求得的吸力场代入非饱和土应 力变形方程中，求解在气候变化影响下土体的力学响应。 崔玉军、卢应发等幽矧采用w i l s o n 提出的理论描述土体的温度和吸力变化特征，考 虑了降雨、温度和风速等不同因素对岩土孔隙介质力学性质的影响，并利用p e 珊a n 方程 估算水的蒸发。 贺再球等渊基于非饱和土气态水迁移引起的含水量变化的方程，结合非饱和土体液 态水迁移引起的含水量变化方程，提出了实现两者耦合计算的方法，并以试验土样的水 分迁移进行了计算，计算结果与试验结果吻合较好。 武文华等乜7 1 在c a p 模型的基础上提出了一个非饱和土的热水力力学本构模型， 着重考虑温度对于非饱和土的水力力学性质的影响，基于试验结果和前人的工作，在 模型中重现了热软化现象，计算了温度升高导致土体前期固结压力的降低和非饱和土吸 力增加屈服线中临界吸力值的降低，并应用该模型进行了数值模拟计算。通过模拟结果 广西大学硕士学位论文 环境温湿变化对石灰改良膨胀土路堤长期稳定性影响的数值模拟 和试验结果的比较，验证了该模型的适用性和可靠性。 杨代泉、沈珠江汹1 提出了一个非饱和土孔隙气、水、汽、热耦合运动的理论模型。 该模型假定孔隙气和孔隙水运动分别遵循d a r c y 定律，而影响水蒸汽运动的两种主要因 素是分子扩散和孔隙气运动。其中受分子扩散影响的孔隙水蒸汽运动可以用f i c k 定律描 述。利用有限元编制了一个三维计算程序，用以模拟非饱和土孔隙气、水、汽、热耦合 运动，通过数值分析与干砂试验结果比较，验证了理论模型和计算程序的可靠性。 哈尔滨工业大学的任瑞波、冯德成口3 1 等人根据傅里叶定律和达西水分传导定律导出 了潮湿路基温度场与湿度场耦合作用的一维计算模型。 1 3 3 广西大学就温度场、湿度场耦合模拟研究所做的一些工作 欧孝夺教授主持广西自然科学基金项目“城市环境下粘性土结构的热稳定性研究， 对粘性土土体的温度场、湿度场耦合规律进行了研究，揭示了温度场一热稳定性一结构强 度的关系嘞删。 对温度场、湿度场耦合模型常借助机理试验及原位试验进行研究，由于原位试验 和机理试验不能严格的控制土体的试验边界条件，难以准确模拟影响土体工程性质的 环境条件( 温度、湿度、日照等) 。因此，广西大学围绕土体中温度场、湿度场的耦合 作用，开展了中等尺度的室内大型模型试验工作，为室内机理试验和现场原位试验提 供分析的桥梁。为此已与重庆四达试验设备有限公司联合研制了室内大型模型试验装 置环境发生器。环境发生器能模拟各种气候环境( 温度、降雨、日照、风速和湿 度等) 、地质环境( 土体结构、水化学场、渗流等) 和工程环境( 各种加荷工况) ，净 容积达2 9 9 m 3 ，其中试验槽容积4 5 0 m 3 ( 长5 m 宽3 m x 深3 m 。) ，由此建立起了气候环 境仿真试验平台。为保证环境模拟精确、稳定，系统配备有各类检测仪表，可依据空 气或土体中的测量信号( 由传感器量测) ，通过一定的控制算法进行自动调节，使气候 环境保持恒定或按预设程序自动变化，过程以动态图形显示，整个系统由计算机全自 动控制。 1 4 边坡稳定性评价分析方法研究现状 边坡稳定性分析是判断边坡是否失稳、是否需要加固及采取何种防护措施的主要 依据，因此它是边坡工程中最基本最重要的问题，也是边坡工程设计与施工中最难和最 6 广西大学硕士学位论文环境温湿变化对石灰改良膨胀土路堤长期稳定性影响的数值模拟 迫切需要解决的问题之一。 早期对边坡稳定性的研究主要从两个方面进行：一是借用土力学中极限平衡的概 念，根据三个静力平衡条件计算边坡极限平衡状态下的整体稳定性；二是从边坡所处的 地质条件及作用因素上进行对比分析，属类比分析的范畴。五十年代，前苏联和我国学 者多采用“地质历史分析法 偏重于条件的定性描述和分析。六十年代几起大型滑坡( 如 意大利的瓦依昂滑坡) 及岩体失稳事件，以及六、七十年代我国道路、水电建设过程中 的大量灾害事故，使国内外工程地质工作者逐渐意识到，边坡是一个时效变形体，边坡 演变是一个累进过程，这一过程包含的力学机理只有近代岩土力学理论才能解释，从而 使边坡稳定性研究进入了模拟机制研究和内部作用过程研究的新阶段。八十年代以来， 边坡稳定性分析研究又大大前进了一步，人们借助于数值模拟和物理模型模拟手段，在 系统科学方法的指导下，对边坡地质体赋予环境、内部应力状态、变形破坏机制、影响 稳定性作用因素等，从整体上、内部作用机理等方面有了更为全面的认识和理解，为定 量或半定量再现边坡变形破坏过程和内部作用机理奠定了基础。这一阶段是边坡科学发 展并成熟的高峰期。但随着生产实践的发展，人们开始发现，现有的科学技术和分析理 论，很难真正描述边坡动态演变全过程，且由于边坡地质体的复杂性、非线性、开放性 等特点，甚至有人开始怀疑边坡的预测预报的可行性及可能性。九十年代后，人们发现， 往往在稳定性评价中稳定性系数k s 大于1 的边坡竟然失稳，而k s 小于l 的边坡竟是稳 定的。由此逐渐发展了边坡稳定性研究的可靠性分析理论，并借助非线性科学理论，如 模糊数学、灰色理论、神经网络理论、分形理论、自组织理论、概率分析等应用于解释 边坡变形破坏过程及失稳方式和失稳时空预报等，取得了大量有意义的成果，从而开创 了不确定性分析方法研究边坡稳定性的新方向。h 蚓 关于边坡稳定性的评价，在国内外介绍的方法中，多半采用力学计算法，我国则强 调在工程地质分析基础上的力学计算。目前的边坡稳定性分析方法主要有三类：一类为 定性评价分析方法，第二类为确定性的定量分析方法，第三类为非确定性的分析方法。 1 4 1 定性评价分析方法 定性评价分析方法主要又分为类比法和图解法。 类比定性评价方法：它包括历史分析法和工程地质类比法。类比定性评价的要点是， 一方面是对边坡的发育历史进行充分分析，从它的过去看它的现在并推测它的未来，即 所谓的历史分析法；另一方面是对影响边坡稳定的诸因素进行充分分析，在大量调查研 广西大学硕士学位论文环境温湿变化对石灰改良膨胀土路堤长期稳定性影响的数值模拟 究的基础上，根据和本边坡地质条件类似的边坡稳定状况，来评价本边坡的稳定状况， 并推测其未来发展趋势，即所谓工程地质类比法。类比定性评价是边坡稳定性的最基本 的评价方法，其优点是能综合考虑各种影响边坡稳定的因素，无需进行勘察试验，快速 地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评价估计；其缺点是人为主观因素占主导地位， 不同经验的人在相同的资料下往往会做出不同的结论嗍。 图解法：包括赤平极射投影、实测比例投影与摩擦圆等方法。它们是先对边坡和土 岩层及其各种结构的产状进行调查，然后用各种图形( 赤平极射投影图、实测比例投影 图与摩擦圆图) 等显示出来，并根据这些图分析边坡的稳定性。图解法的优点是能反映 结构面对边坡稳定性的影响，它的缺点是只能定性分析且不能综合考虑其它参数的影 响。 1 4 2 确定性的定量分析方法 极限平衡法：极限平衡分析法是目前被工程界所接受的并被广泛采用的边坡评价方 法。它是将滑体视为刚性体，根据滑体或滑体分块的力学平衡原理，分析边坡各种破坏 模式下的受力状态，以及边坡滑体上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价边坡的稳定 性。极限平衡法又细分为很多方法，如：f e l l e i l i u s 法、b i s h o p 法、1 a y o r 法、j a i l b u 法、 m o 娼e 蝴p r i c e 法、s p e n c e r 法、s a m a 法、楔形体法、平面破坏计算法、传递系数 法、临界滑体法等。这些方法在使用中存在不少的问题：一是方法本身无法考虑人工边 坡开挖后坡体内形成的二次应力场集中，以及施工造成的附加荷载等因素的影响；二是 所求的安全系数实际上是假定滑裂面的安全系数，无法反映坡体的变形破坏规律；三是 在稳定分析中，常假定破裂面为圆弧或圆弧直线型等一些简单形式，其圆心位置、半 径等主要由经验、试算和各种优化方法确定。这样导致难以处理复杂地层及环境复杂的 边坡稳定评价问题。 应力应变分析法应力应变分析法与极限平衡分析法区别在于：其一般对滑面的形 态事先不需作任何假定，而是直接计算边坡内部岩体各点的应力应变值，从而分析确定 滑面的形式、变形破坏机理等。属于这一类的方法有：弹性理论解析法、松散介质极限 平衡法、有限元法、边界元法、离散元法等多种。其中以有限单元法应用最广泛。近1 0 年来国内外都有人从事这方面的研究，已见到有一些实用价值的结果。主要有：d o n a l d 和g i 锄l ( 1 9 8 8 ) 曾用有限元得到结点位移来确定土坡的安全系数，但其方法计算量大； z o u 等人( 1 9 9 5 ) 采用有限元得到的土坡内各点应力来求取土坡的稳定安全系数，并用 广西大学硕士学位论文环境温湿变化对石灰改良膨胀土路堤长期稳定性影响的数值模拟 动态规划法来确定破坏面；宋二祥( 1 9 9 7 ) 使用有限元技术，采用理想弹塑性的莫尔 库仑模式，通过不断减小土的强度参数( c ，矽) 来迭代求取土坡的安全系数。总的看 该方面的研究还是很少，需要更多人的努力才能走向成熟。计算机技术在边坡稳定性评 价中发挥了巨大的作用，提供了强有力的数值计算工具。到目前为止，形成了各具特色 的有限元、边界元、离散元等边坡评价计算机软件。但是这些软件，特别是有限元软件， 需要人工做大量的前期数据准备工作，十分费时费力。 1 4 3 不确定性分析方法 边坡岩土体是性质极其复杂的地质介质。长期的地质作用使其成为自然界最复杂的 材料之一。它的力学参数、结构面分布规律、工程特性等都是复杂的、多变的，呈时空 变化的，具有强烈的不确定性。传统的边坡稳定性分析方法是采用确定性的取值分析方 法，并没有获得令人满意的结果，在实际工程中出现了“边坡安全系数大于1 发生破 坏而小于l 却稳定的现象。所以至今，边坡稳定性分析仍然不能完全依赖理论分析和 数值计算，在许多情况下，主要依赖于工程类比和专家经验。近年来，研究人员逐渐认 识到边坡稳定性分析中考虑其不确定性的重要性和必要性，从而形成了不确定性分析方 法。不确定性的分析方法考虑了影响边坡稳定性的很多不确定性( 随机性、模糊性、 不确知性等) 因素，用不确定性的数学方法来分析边坡稳定性。 可靠度分析方法：采用随机理论分析工程的可靠度。结构的可靠性设计，其功能常 以“极限状态刀为标志。用概率的观点来研究结构的可靠性时，综合考虑具有的风险和 经济效果，只要失效概率很小，小于人们可以接受的程度，就认为设计是可靠的。边 坡稳定性可靠性分析方法的基本原理是：影响边坡稳定性的诸多因素具有随机性和变异 性，是具有一定概率分布的随机变量；通过大量的现场调查，运用数理统计方法求出它 们各自的概率和边坡稳定性的可靠指标。在我国，祝玉学等率先将可靠性理论引入到岩 质边坡稳定性分析中，并取得了成功的应用。近年来，可靠性分析方法在边坡稳定性 分析中的的应用研究发展很快，为边坡稳定性评价指明了一个新的方向，我国的岩土工 程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 9 4 ) 已明确指出；对大型边坡设计除了要按照边坡稳定性系数 值计算边坡的稳定性外，尚宜进行边坡的可靠性方分析，并对影响边坡稳定性的因素进 行敏感性分析。目前，对可靠性分析方法的研究主要集中在随机变量的概率分布类型的 确定和在一定的功能函数下的边坡稳定性可靠指标的计算两个方面。尽管我国边坡稳定 性可靠性分析方法取得了可喜的成绩，但与结构工程相比相差甚远。阻碍其发展的主要 9 广西大学硕士学位论文环境温湿变化对石灰改良膨胀土路堤长期稳定性影响的数值模拟 原因是：影响边坡稳定性的因素的概率分布还不能正确的求出；建立合理的边坡失 稳的功能函数方程十分困难；地震和暴雨等偶发性很强的、危害性很大的外部因素对 边坡可靠性分析的影响程度的计算还相当困难；边坡的失稳破坏是整个边坡系统发生 破坏，因此，边坡的失效概率应该是整个边坡系统的失效概率。由于边坡破坏过程机制 复杂，各种因素之间的互相和制约还无法清楚的描述，所以，对边坡系统的失效概率计 算更加困难嘲。 1 5 本文研究的内容、方法、路线 1 5 1 研究内容 本论文总结前人研究经验，采用连续介质快速拉格朗日法分析软件f l a c 建立石灰改 良膨胀土路堤数值模型，并结合石灰改良膨胀土机理试验数据、环境模拟试验数据分析 环境因素影响下石灰改良膨胀土路堤中温度场、湿度场的分布情况，及其两场变化所引 起的处治土土体结构强度的变化以及对边坡稳定性的影响。 1 5 2 研究方法与技术路线 ( 1 ) 研究方法 模型试验 模型试验在环境发生器中进行。在环境发生器的实验槽中，填筑处治膨胀土路堤边 坡，模拟其温度场和湿度场。用环境发生器控制环境湿度并模拟环境温度的变化，在实 验槽中均匀埋设温度传感器、t d r 试管和位移百分表，分别对边坡模型内部温度场、湿 度场和边坡模型坡面位移进行量测，获得模型土体中各点的温度、湿度变化情况。通过 三轴实验测定不同含水量的土样的强度参数，在环境温度改变前后的变化，可以得知整 个边坡模型在环境温度改变前后强度的变化。 数值模拟 本论文数值模拟的手段采用目前国际土木工程界( 尤其是岩土工程) 的学术界和 工业界发展最快影响最大的软件系统之一f l a c 在该软件包含针对模拟岩土性能的多种模块，使用其中基于傅立叶定律的热传导方 程的热力学模块，和基于d e l 唧lqf r e d l u n d 的非饱和土力学理论的液态流方程的渗流模 块，可以模拟土体中温度场与湿度场随着环境温度的改变改变，并确定边坡的环境温度 l o 广西大学硕士学位论文环境温湿变化对石灰改良膨胀土路堤长期稳定性影响的数值模拟 影响深度。 在模型试验中所确定的边坡土体强度在环境温度改变前后强度的变化，使用f l a c 软 件中基于毕肖普条分法的边坡稳定性分析功能，对模型试验路堤边坡、实际尺寸路堤边 坡以及一定坡比的高边坡路堤在环境影响前后的稳定性进行分析。确定其在环境影响下 的安全性，为处治膨胀土边坡设计提供理论依据。 ( 2 ) 、技术路线 本课题采用拉格朗日法著名软件f l a c 各个计算模块来建立土路堤边坡热湿数值 计算模型，并结合石灰改良膨胀土三轴实验数据、环境模拟实验数据进行对比分析， 研究技术路线如图卜1 所示。 收集论文资料进行分析研究 根据软件自身的流 一固模块和热力学 模块建立初步模型 使用试验数据对计 算模型进行论证 建立温度场湿度场 耦合分析模型 数值模拟研究土体内 部的温度场湿度场变 化规律 图卜1 论文框架 f i g u r e1 - lt h et h e s 胁e 、v o r k 广西大学硕士学位论文环境温湿变化对石灰改良膨胀土路堤长期稳定性影响的数值模拟 第二章石灰改良膨胀土路堤室内模型试验 2 1 石灰改良膨胀土的理论介绍 石灰改良膨胀土主要是在膨胀土中加入石灰作为稳定剂，从而改善路基填筑用土的 性能，稳定膨胀土和减少其膨胀性，提高路基路床的强度和稳定性，保证路基质量。 消除膨胀土的破坏性膨胀是膨胀土施工的关键环节，膨胀土中加入石灰后，二者发 生物理和化学作用，