降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定分析

针对降雨入渗土坡的稳定问题,建立一个考虑水力渗透系数特征曲线、土-水特征曲线以及修正的Mohr-Coulomb破坏准则的非饱和土流固耦合有限元计算模型,进行雨水入渗下非饱和土边坡渗流场和应力场耦合的数值模拟,得到非饱和土边坡变形与应力的若干重要规律。研究成果为降雨入渗条件下非饱和土边坡的稳定分析提供了基础。

基于SQP和上限法的非饱和土条形基础极限承载力计算

综合考虑有效内摩擦角、有效黏聚力、基质吸力等非饱和土强度参数以及基底以下基质吸力随埋深增加而变化的工程实际(以水土特征曲线表征),采用多刚性块上限分析法对非饱和土条形基础竖向极限承载力进行研究。假定非饱和土抗剪强度公式是Mohr-Coulomb饱和土抗剪强度公式的延伸,根据线性破坏准则和相关联流动法则,构建一个承受竖向荷载的非饱和土地基承载力二维机动破坏模式。根据外力功率与内部耗能相等原理获得非饱和土地基极限承载力的目标表达式,并把其转化成一个求含有非线性约束的极限承载力上限解最小值计算模型。对建立的计算模型采用序列二次规划法进行优化求解。研究结果表明:非饱和土抗剪强度参数取值对极限承载力量值具有非线性影响;土中基质吸力存在所引起的附加抗剪强度使非饱和土地基承载力较饱和土得到提高;土体内基质吸力分布方式和地下水位高低对条形基础极限承载力影响也较大,地下水位升高导致基质吸力降低,极限承载力减小;非饱和土过渡为饱和土时,同类方法相比本解答是较优上限解。

非饱和黄土的破坏条件

根据黄土的沉积历史及强度性质建立了黄土的破坏条件,该条件在p--q平面上仍采用莫尔库仑条件,在p平面上满足形状函数一切条件,只需做常规三轴压缩和常规三轴挤长试验就可确定该条件的所有参数;依据非饱和土有效应力新表达式,提出了三维应力状态下有效应力参数的确定方法;用所做的非饱和原状黄土真三轴试验资料验证了该条件的适应性;将该条件与改进的条件、双园弧条件、Willam和Warnke条件比较,发现该条件在应用于黄土方面优于其它条件。

基于统计损伤理论的非饱和土简易本构模型

外部荷载与基质吸力的耦合作用使得非饱和土本构关系的构建极为复杂。本文首先开展了非饱和土的加载试验及脱湿试验,分析了非饱和土在不同基质吸力与外部荷载作用下的破坏模式及破坏规律。在此基础上,引进统计损伤理论,假定非饱和土是由众多强度服从Weibull随机分布的微元体组成的组合体,同时为考虑外部荷载与基质吸力对非饱和土变形的影响,采用扩展莫尔-库伦准则模拟微元体的承载能力,建立了非饱和土统计损伤演化方程,进而导得非饱和土的统计损伤本构模型,并基于常规试验提出了其主要参数的确定方法。

基于状态曲面的非饱和土强度准则及其验证

考虑体变对非饱和土土-水状态的影响,将状态曲面函数引入传统的Vanapalli强度公式得到与孔隙比相关的抗剪强度准则,新准则使用饱和土的强度参数和两条不同孔隙比对应的土-水特征曲线。选择一种尾矿砂和高岭土的混合土料为研究对象,进行一系列的土-水特征曲线试验、吸力控制的等向压缩和三轴剪切试验。试验结果表明,新准则能更准确地预测非饱和土的强度,证明了传统强度预测的误差主要来源于忽略了体变导致的土-水状态变化,并提出在不同应力空间内精确地获得抗剪强度包线的方法,合理地解释了强度包线斜率在净应力-强度平面内随吸力增大、强度包线形状在吸力-强度平面内随净应力发生变化的特性。

正常固结非饱和黏性土的三剪弹塑性本构模型

基于临界状态土力学框架,采用单应力变量法和双应力变量法非饱和土三剪强度准则,将原饱和土屈服函数中的屈服应力和破坏应力比分别替换成能反映土体饱和度影响的屈服应力和三剪破坏应力比,采用等量代换法和坐标平移法的三剪屈服函数推导出4种三剪弹塑性本构模型。所提本构模型能反映非饱和土全应力状态下土的强度区间效应、拉压强度差及黏聚力的影响。以南昌非饱和黏性土为研究对象,对所提4种模型分别做了试验参数确定、常规固结排水三轴试验验证和真三轴数值模拟分析。常规三轴试验结果表明,采用双应力变量相对单应力变量法的数值模拟结果相对更接近试验结果,采用坐标平移法相对等量代换法的数值模拟结果相对更接近试验结果。真三轴数值模拟对比结果表明,采用双应力变量法相对单应力变量法所得剪应力和体应变也偏大。随着中间主应力影响系数b增大,4种本构模型的剪应力和体应变也会随之增大;其他条件不变时,基质吸力越大,剪应力也随之变大。

正常固结非饱和黏性土的三剪边界面模型研究

将三剪统一强度准则分别与非饱和土的单应力变量理论和双应力变量理论相结合提出了正常固结非饱和黏性土的三剪强度准则,在此基础上采用等量代换法与坐标平移法分别推导出可以反映土体全应力状态效应的三剪破坏应力比。将该三剪破坏应力比引入非饱和黏性土修正剑桥模型的屈服面方程以确定初始边界面,采用径向映射法则确定后续边界面,根据插值函数得到加载面上的塑性模量,据之建立了非饱和黏性土单应力变量和双应力变量下分别采用等量代换法和坐标平移法的4个三剪弹塑性边界面模型并对这4个模型做了单调和循环压缩荷载试验验证。结果表明,所建模型均能较好地反映土的变形特征,但相比之下,双应力变量下建立的模型相对单应力变量下建立的模型更接近试验结果,采用等量代换法建立的模型相对坐标平移法更接近试验结果的特点。真三轴数值模拟结果表明,单调加载时,相同应力条件下中主应力影响系数增大会引起非饱和土强度增大;循环加载时,最小主应力或中间主应力的增大均会引起土体抗剪强度的增大,且荷载振幅越大,非饱和土的轴向应变随之增大。比较4个边界面模型在真三轴应力状态的模拟结果表明,单调加载时,非饱和黏性土在双应力变量下的模拟抗剪强度值相对较大;循环加载时,单应力变量下所得塑性变形相对较大。

基于三剪强度准则的非饱和土库仑主动土压力

基于三剪强度准则,结合非饱和土抗剪强度理论,推导得到考虑多种因素影响的挡土墙库仑主动土压力表达式。该式考虑土体非饱和因素,更合理地反映中间主应力在土体强度中的作用,可用于复杂情况下的土压力计算,经算例验证了其推导合理性。相关影响因素分析表明,土压力计算值随三剪强度参数b的增大而减小;随基质吸力的增大非线性减小,而随基质吸力角的增大呈线性减小趋势,其中基质吸力变化对土压力影响较为显著。应用该式,合理确定相关土体参数,可优化设计,提高经济效益,为非饱和土地区工程实践提供了参考。