基于流固耦合理論的飽和-非飽和土開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性分析.pdf

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1、第3期水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)No．32016年6月HYDRO-SCIENCEANDENGINEERINGJun．2016DOI：10．16198／j．enki．1009—640X．2016．03．002張信貴，許勝才，易念平．基于流固耦合理論的飽和～非飽和土開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性分析[J]．水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2016(3)：10—19．(ZHANGXin—gui，XUSheng—cai，Y1Nian—ping．Stabilityanalysisofslopesexcavatedinsaturatedandunsaturatedsoilsbasedoncoupledconso

2、lidationtheoriesIJI．Hydro—ScienceandEngineering，2016(3)：10—19．)基于流固耦合理論的飽和一非飽和土開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性分析張信貴1’2?，許勝才1，易念平1(1．廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧530004；2．工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004；3．廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004)摘要：現(xiàn)有開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定分析的研究中，綜合考慮開(kāi)挖效應(yīng)與應(yīng)力一滲流耦合作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的分析很少。為此，根據(jù)飽和一非飽和土滲流及抗剪強(qiáng)度特性，推導(dǎo)了飽和一非飽和土在應(yīng)力一滲流耦合

3、作用下的有限元求解方程，介紹了計(jì)算飽和一非飽和土開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性的有限元強(qiáng)度折減技術(shù)。建立了一開(kāi)挖邊坡算例進(jìn)行應(yīng)力一滲流耦合分析，結(jié)果表明，相對(duì)于非開(kāi)挖模式下的計(jì)算，開(kāi)挖卸荷效應(yīng)對(duì)開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性有一定提高作用，但這一作用隨著時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)逐漸減弱直至消失。對(duì)影響開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定的各種因素進(jìn)行了計(jì)算分析，開(kāi)挖速度、初始水位高度、滲透系數(shù)以及彈性模量、泊松比等影響因素對(duì)應(yīng)力一滲流耦合作用下的開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性影響較大，影響規(guī)律和以往的研究結(jié)論有所不同。關(guān)鍵詞：開(kāi)挖邊坡；非飽和土；耦合分析；強(qiáng)度折減法；邊坡穩(wěn)定中圖分類號(hào)：TU413．6+2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-64

4、0X(2016)03-0010-10自然界大多數(shù)邊坡土層處于飽和一非飽和共存的狀態(tài)，考慮非飽和土的特點(diǎn)，運(yùn)用流固耦合理論分析滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)共同作用下的邊坡穩(wěn)定性，是近年來(lái)巖土工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。以往邊坡的滲流分析將滲流與變形分割開(kāi)來(lái)，先對(duì)邊坡進(jìn)行單獨(dú)的滲流分析，在此基礎(chǔ)上再結(jié)合極限平衡法或有限單元法分析邊坡穩(wěn)定性，忽略了水土相互影響，在理論上不夠嚴(yán)謹(jǐn)。最理想的分析方法應(yīng)是將滲流、變形和邊坡穩(wěn)定通過(guò)統(tǒng)一的有限元法求解，而現(xiàn)有文獻(xiàn)表明，這方面的研究不多，且各研究所基于的理論和假設(shè)也存在差異。在考慮應(yīng)力和滲流耦合作用下的邊坡穩(wěn)定性分析方面，主要有兩個(gè)研究方向：

5、一是降雨作用下的邊坡穩(wěn)定問(wèn)題¨。41；二是水位變化影響下的邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，如水位驟降、驟升等"‘9J。然而這些研究大多是以自然狀態(tài)的邊坡為分析對(duì)象，忽略了施工因素如開(kāi)挖的影響。事實(shí)上，開(kāi)挖增加了自由滲出面，改變了邊坡內(nèi)的滲流路徑，從而會(huì)引起邊坡應(yīng)力場(chǎng)的改變。同時(shí)開(kāi)挖引起的土體卸荷效應(yīng)改變了邊坡土層的應(yīng)力場(chǎng)，反過(guò)來(lái)又將影響到滲流場(chǎng)的變化，而現(xiàn)有關(guān)于綜合考慮開(kāi)挖效應(yīng)與應(yīng)力一滲流耦合作用的飽和一非飽土邊坡穩(wěn)定分析還鮮見(jiàn)報(bào)道。文獻(xiàn)[10]采用不同應(yīng)力路徑的三軸試驗(yàn)來(lái)反映開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)土體強(qiáng)度參數(shù)的影響，利用受開(kāi)挖擾動(dòng)而引起弱化的土體強(qiáng)度參數(shù)對(duì)基坑邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并未涉及

6、邊坡滲流方面的計(jì)算。文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]分析了開(kāi)挖邊坡相對(duì)于天然邊坡在穩(wěn)定性上的差異，但將邊坡看成是均質(zhì)單相體，并未涉及流固耦合的計(jì)算。文獻(xiàn)[13]僅利用邊坡開(kāi)挖后的幾何構(gòu)形，對(duì)邊坡進(jìn)行了滲流分析，但并未考慮開(kāi)挖卸荷效應(yīng)收稿日期：2015-06—02基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51268003)；廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(2012ZDK08)；廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)性研究項(xiàng)目(2013ZDXl1)作者簡(jiǎn)介：張信貴(1965一)，男，廣西北流人，教授，博士，主要從事復(fù)合地基及邊坡工程問(wèn)題研究。E—mail：xgzhangehn@foxm

7、ail．corn第3期張信貴，等：基于流固耦合理論的飽和一非飽和土開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性分析11對(duì)滲流場(chǎng)的影響，也未運(yùn)用流固耦合理論分析開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定性。極限平衡法分析飽和一非飽和土邊坡穩(wěn)定性，不能反映開(kāi)挖卸荷效應(yīng)，不適宜用于考慮開(kāi)挖效應(yīng)的邊坡穩(wěn)定分析。而現(xiàn)有針對(duì)飽和一非飽和土邊坡的有限元計(jì)算中，較多對(duì)飽和一非飽和滲流做簡(jiǎn)化處理，較少考慮應(yīng)力一滲流耦合作用及時(shí)間效應(yīng)的影響。因此，如何將邊坡開(kāi)挖、滲流、變形及破壞過(guò)程有機(jī)結(jié)合，真實(shí)反映開(kāi)挖效應(yīng)、滲流變化等對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響仍是值得深入研究的課題。1飽和一非飽和土滲流固結(jié)理論1．1飽和一非飽和土滲流及強(qiáng)度特性在飽和一非飽和土

8、體中，由于滲流速度較低，通常用Darc