非饱和膨胀土边坡稳定分析方法2013

1、西安理工大学岩土所西安理工大学岩土所 李荣建李荣建非饱和膨胀土边坡稳定分析方法非饱和膨胀土边坡稳定分析方法 报告人：报告人： 李荣建李荣建 刘军定刘军定2013.10.132013.10.13 西安理工大学西安理工大学 岩土工程研究所岩土工程研究所西安理工大学岩土所西安理工大学岩土所 李荣建李荣建报告内容报告内容 研究研究背景背景 非饱和膨胀土边坡稳定性分析实现思路非饱和膨胀土边坡稳定性分析实现思路 计算分析计算分析 结论结论西安理工大学岩土所西安理工大学岩土所 李荣建李荣建中西部地区复杂多变的地形、地貌决定了中西部地区复杂多变的地形、地貌决定了大量边坡工程。大量边坡工程。研究背研究背景景工程

2、中又经常面临大量的非饱和膨胀土边工程中又经常面临大量的非饱和膨胀土边 坡的稳定问题。坡的稳定问题。非饱和土边坡中基质吸力的非饱和土边坡中基质吸力的时空分布时空分布是非是非常复杂，测试常复杂，测试时间冗长时间冗长，技术，技术复杂、繁琐复杂、繁琐。有必要采用一种更合理的边坡稳定分析方法。有必要采用一种更合理的边坡稳定分析方法。 西安理工大学岩土所西安理工大学岩土所 李荣建李荣建方法方法优点优点缺点缺点极限平衡法极限平衡法1.理论简单，易于工程应用2.积累了丰富的经验 3.计算程序容易实现1.不能考虑复杂土本构关系2.多层土时分析较为复杂3.需搜索最危险滑动面普通有限元普通有限元法法1.可考虑土的本

3、构关系2.可以计算非均质材料3.能给出坡体应力、应变场1.前处理工作量大2.分析边坡临界状态困难3.需要假定临界滑动面强度折减有强度折减有限元法限元法1.可根据变形协调条件进行土体内的应力调整2.能某种程度模拟边坡破坏3.不需要假定滑裂面形状4.可分析各种复杂情况1.前处理工作量大2.安全系数取值并不统一， 如三种破坏判别准则 3.后处理形式多样不统一工程中边坡稳定性分析中，不得不根据具体工程中边坡稳定性分析中，不得不根据具体情况选用合适的方法，每一种方法都有缺点。情况选用合适的方法，每一种方法都有缺点。西安理工大学岩土所西安理工大学岩土所 李荣建李荣建 ()tan1()tan2()()tan

4、tatann)tan34()5awfafawafasssscucucuuumpAwuwupAwPu非饱和土强度主要有非饱和土强度主要有Bishop单值有效应力强度和单值有效应力强度和Fredlund双应双应力变量的强度理论力变量的强度理论 。u卢肇钧提出的非饱和土抗剪强度理论卢肇钧提出的非饱和土抗剪强度理论 ，通过膨胀力间接考虑通过膨胀力间接考虑了基质吸力的宏观贡献了基质吸力的宏观贡献，缘起缘起测定吸力及其参数的麻烦测定吸力及其参数的麻烦。 u基于卢肇钧非饱和土强度开发相应的基于卢肇钧非饱和土强度开发相应的强度折减有限元算法强度折减有限元算法程序。程序。非饱和膨胀土边坡稳定性分析实现思路非饱和

5、膨胀土边坡稳定性分析实现思路西安理工大学岩土所西安理工大学岩土所 李荣建李荣建u非饱和膨胀土的含水量从非饱和膨胀土的含水量从w w1 1增加到增加到w w2 2，就会产生膨胀力（，就会产生膨胀力（常常规意义上的膨胀规意义上的膨胀力力）。）。u保持土体积不变，当非饱和膨胀土的含水量从保持土体积不变，当非饱和膨胀土的含水量从w w1 1增加到增加到饱和饱和含水量含水量时，此时，此时膨时膨胀力才胀力才是本文定是本文定义义的的吸吸力等效膨力等效膨胀力胀力。吸吸力力等效膨胀力等效膨胀力特指特指试样试样浸水浸水饱和、且保饱和、且保持土体体积为常量持土体体积为常量时测得时测得的最大膨胀力。的最大膨胀力。u实

6、实质质就通过测就通过测定吸定吸力等力等效膨效膨胀力胀力间接间接地考虑基质吸力对土体地考虑基质吸力对土体强度强度的宏观贡的宏观贡献。献。 u 本文开发的强度折减有限元程序，引入吸力等效膨胀力，在本文开发的强度折减有限元程序，引入吸力等效膨胀力，在理论上可行理论上可行且更为合且更为合理。理。非饱和膨胀土边坡稳定性分析实现思路非饱和膨胀土边坡稳定性分析实现思路西安理工大学岩土所西安理工大学岩土所 李荣建李荣建v 抗剪强度以折减系数抗剪强度以折减系数F F进行折减进行折减v 边坡达临界破坏状态时的折减边坡达临界破坏状态时的折减系数系数F F即为边坡的整体安全系数即为边坡的整体安全系数v 破坏时的滑动面

7、用最大剪应变破坏时的滑动面用最大剪应变增量的等值线或位移增量等值增量的等值线或位移增量等值线来确定线来确定/fc FtanF非饱和膨胀土边坡稳定性分析实现思路非饱和膨胀土边坡稳定性分析实现思路西安理工大学岩土所西安理工大学岩土所 李荣建李荣建等倾线A2-uaB3-ua1-ua B B点为综合考点为综合考A A点应力状态和吸力等效膨胀力的新有效应力状态点应力状态和吸力等效膨胀力的新有效应力状态A A点代点代表参照的表参照的有效应力状态有效应力状态非饱和膨胀土边坡稳定性分析实现思路非饱和膨胀土边坡稳定性分析实现思路西安理工大学岩土所西安理工大学岩土所 李荣建李荣建u随着含水量的增加，基质随着含水量

8、的增加，基质吸力减小吸力减小，常规意义上的，常规意义上的膨胀力增大膨胀力增大，是对是对同一个过程同一个过程，不同阶段而言的，不同阶段而言的 。u随着含水量的增加，基质随着含水量的增加，基质吸力减小吸力减小，吸力等效，吸力等效膨胀力减小膨胀力减小，是，是对不同含水量对不同含水量分别分别增加至饱和含水量时的增加至饱和含水量时的一系列过程一系列过程而言的。而言的。基质吸力为基质吸力为S初始含水量初始含水量饱和含水量饱和含水量膨胀力为膨胀力为0膨胀力膨胀力基质吸力为基质吸力为0spsspw此过程涉及膨胀土边坡的此过程涉及膨胀土边坡的2种状态之间的关系。种状态之间的关系。非饱和膨胀土边坡稳定性分析实现思

9、路非饱和膨胀土边坡稳定性分析实现思路西安理工大学岩土所西安理工大学岩土所 李荣建李荣建(-)awuumAw卢肇卢肇钧的吸钧的吸附强度附强度 tanssmp(-)awsuump()sspA ww程序验证算例程序验证算例非饱和膨胀土边坡稳定性分析实现思路非饱和膨胀土边坡稳定性分析实现思路西安理工大学岩土所西安理工大学岩土所 李荣建李荣建 参数参数 土层土层 弹性弹性模量模量MPaMPa泊松比泊松比容重容重kN/mkN/m3 3/kPa/kPa A Am m水位线上水位线上19190.30.319.0819.083232171712120.6950.6954 40.73150.73151.70911

10、.70911.4241.424水位线下水位线下17170.30.39.649.643232171717171.01.00.73150.73151.70911.70911.4241.424/c某边坡 坡度为45o 单元为数526 结点数为582非饱和膨胀土边坡稳定性计算分析非饱和膨胀土边坡稳定性计算分析西安理工大学岩土所西安理工大学岩土所 李荣建李荣建工况工况工况说明工况说明计算方法计算方法安全系安全系数数工况工况1 1工况工况1-11-1基质吸力非均匀分布基质吸力非均匀分布基于基于BishopBishop单值有效应力的单值有效应力的强度强度1.3051.305工况工况1-21-2基质吸力非均匀

11、分布基质吸力非均匀分布基于基于FredlundFredlund双应力变量的双应力变量的强度强度1.3001.300工况工况1-31-3吸力等效膨胀力非均吸力等效膨胀力非均匀分布匀分布基于卢肇钧的非饱和土强度基于卢肇钧的非饱和土强度公式公式1.3001.300工况工况2 2不考虑基质吸力不考虑基质吸力强度折减有限元强度折减有限元1.1701.1702030405060708090Frame 001 22 Dec 2005 ALL3436384042444648505254Frame 001 17 Jun2010 工况工况1-1 Bishop1-1 Bishop法法工况工况1 1含水量等值线图含水

12、量等值线图工况工况1 1吸力等值线图（吸力等值线图（kPa)kPa)工况工况1-3 1-3 卢肇钧法卢肇钧法西安理工大学岩土所西安理工大学岩土所 李荣建李荣建本文所提的非饱和膨胀土边坡稳定分析方法在理论上、本文所提的非饱和膨胀土边坡稳定分析方法在理论上、数值实现上都是比较可行和易于实现的。数值实现上都是比较可行和易于实现的。结结 论论可以避开基质吸力的技术复杂和时间冗长的测试，为可以避开基质吸力的技术复杂和时间冗长的测试，为非饱和膨胀土边坡稳定分析提供更可靠的分析方法非饱和膨胀土边坡稳定分析提供更可靠的分析方法。基于吸力等效膨胀力的强度折减有限元法具有其独特基于吸力等效膨胀力的强度折减有限元法

13、具有其独特的优越性的优越性，为涉及非饱和特性的膨胀土为涉及非饱和特性的膨胀土 “ “三性三性”的的分析提供一种可以借鉴的方法。分析提供一种可以借鉴的方法。配套的膨胀力测试方法与应用简介配套的膨胀力测试方法与应用简介.SCI : 178UZA new practicable approach to stability analysis of unsaturated expansive soil slope解决解决-吸力等效膨胀力吸力等效膨胀力是是试样试样浸水饱和且保持土体体积为常量浸水饱和且保持土体体积为常量时测得的最大膨胀力时测得的最大膨胀力西安理工大学岩土所西安理工大学岩土所 李荣建李荣建真空饱和系统量测采集系统膨胀力仪器膨胀力试验仪器测试-发明专利西安理工大学岩土所西安理工大学岩土所 李荣建李荣建连接抽真空系统连接数据采集系统56171813191298202123242728303216383211447353