非饱和土边坡稳定分析方法探讨

在对非饱和土边坡进行稳定分析时,应该全面地考虑基质吸力对边坡稳定的贡献。首先,分别探讨了基于Fredlund非饱和土强度表达式和Bishop非饱和土有效应力强度公式将强度折减有限元法推广到非饱和土边坡稳定分析中的具体方法;然后,开发了可以考虑基质吸力两种处理方法的强度折减有限元计算程序;最后,给出了一个非饱和土边坡稳定分析的对比算例,说明了二者的不同特点。     

水位骤降时的非饱和坝坡稳定分析

从非饱和土抗剪强度理论出发,应用极限平衡法和以有限元应力计算为基础的极限平衡法,分别对库水位骤降时的坝坡稳定进行了计算。分析中采用非饱和-非稳定渗流理论,模拟了孔隙水压力的消散过程,并考虑基质吸力对土体抗剪强度的影响,将每个渗流分析结果调入稳定分析模块计算其稳定性。最后将两类极限平衡法稳定分析结果进行了比较,结果表明,库水位的骤降,易引起坝坡的滑动,随着超静孔隙水压力的消散,坝坡稳定性逐渐提高;随着孔压消散,基质吸力对抗剪强度的贡献增大。     

考虑基质吸力作用的土坡稳定性分析

非饱和土基质吸力的有效应力作用,使得土体的抗剪强度得以提高。基于Fredlund的非饱和土抗剪强度理论,在土坡极限平衡分析方法中,同时考虑分条的土条底面与条间的基质吸力分布对土体抗剪强度的贡献,进而构筑考虑基质吸力作用的土坡极限平衡分析方法。构筑基于极限平衡分析方法的目标函数,应用SLP优化方法寻求最危险滑动面。用具体计算实例说明这种分析思路可以评价土坡的稳定性评价的影响。     

非饱和膨胀土边坡稳定性分析

Bishop和Fredlund的非饱和土强度公式参数不易工程应用,文中基于双曲线的非饱和土强度公式,采用简化Bishop法建立非饱和土边坡的稳定方程,分析膨胀土边坡的稳定性,讨论了吸力、分层及其边坡表层裂隙对非饱和膨胀土边坡稳定性的影响。通过分析与比较,揭示了膨胀土边坡浅层滑坡的原因。     

基于一种新强度理论的非饱和土边坡稳定性分析

非饱和土强度及其边坡稳定性一直是工程界和理论界的一个重要课题。Bishop和Fredlund提出的抗剪强度公式虽被广泛接受,但应用工程仍存诸多不便。针对于此,作者提出了一种有效应力与土水特征曲线发展成的一种新的非饱和土强度公式。该公式不需多组的非饱和土剪切试验,便于工程应用。基于此强度公式,采用VB语言,结合Bishop法,编写了非饱和土边坡稳定性的计算程序,讨论了强度分层的影响,还分析了裂隙对非饱和土边坡稳定性的影响。研究结果表明,对于膨胀土边坡,强度的分层是合理的,也是必要的。     

非饱和堤岸的渗流特征及其稳定性研究

通过试验确定了非饱和黏土层的土-水特征曲线和强度参数,通过理论分析建立了非饱和堤岸渗流-应力耦合模型。在此基础上,利用耦合计算程序分析了非饱和土堤岸在河水位变动时的非稳定渗流场特征,结合强度折减有限元法分析了河水位反复升降后非饱和堤岸稳定性的变化。结果表明：水位快速上升时,堤脚渗透流速下降后又逐步上升并趋向稳定,河水位快速上升使堤岸边坡的稳定性降低,随着渗流场中孔隙水压力的调整,堤岸边坡的安全系数又有所回升;河水位骤降时,黏性土层饱和度变化相对滞后,水位骤降加大了堤岸的渗透流速,边坡的稳定性迅速降低,水位下降约120 h后堤岸边坡进入较危险时段;非饱和土的基质吸力提高了堤岸边坡整体稳定性,河水位反复升降降低了堤岸边坡整体稳定性,且河水位越低,水位反复升降对堤岸稳定性产生的影响越大     

考虑饱和-非饱和渗流场和应力场耦合的三维强度折减有限元程序研制

探索考虑饱和-非饱和渗流场和应力场耦合的三维强度折减有限元技术,并研制成功一个考虑饱和-非饱和渗流场和应力场耦合的三维强度折减有限元程序,通过与传统极限平衡法分析结果对比研究,对抗剪强度折减有限元法分析边坡稳定问题的适用性进行了评价,得出采用三维强度折减有限元法确定考虑饱和-非饱和渗流场的边坡稳定性安全系数是可行的结论.     

库水位下降过程中土坡稳定强度折减有限元分析

采用强度折减有限元法,考虑边坡土体的非饱和-非稳定渗流过程,从坡体内浸润线位置、土体的渗透系数、水位下降速率、下降比及基质吸力等5个方面研究了水位下降过程中岸坡的整体稳定性。结果表明,水位下降速率对高渗透性土坡内孔压的影响显著,对低渗透性土坡内孔压影响较小,对边坡安全系数的影响程度可达15%。     

降雨对均质各向异性土质边坡稳定性的影响

采用有限元法分析了非饱和均质各向异性土坡中的降雨渗透过程和土水相互作用的变化过程,使用修改的Mohr-Coulomb破坏准则考虑非饱和土的抗剪强度,根据基质吸力变化引起抗破坏强度变化的原理,寻找最危险的滑移面位置,计算最小稳定安全系数,研究了土坡遭受降雨渗透时的安全稳定问题。实例分析结果表明,该法在评判降雨时非饱和土坡的稳定性方面是合理可行的。同时分析数据表明裂隙的存在对土质边坡稳定性的影响是显著的,在对雨水入渗的土边坡稳定性分析时,必须考虑裂隙的影响。     

非饱和-非稳定渗流条件下的边坡临界滑动场

受季节性降雨或水库运行的影响,岸坡外水位及坡内孔隙水压力场的变化较大,不利于岸坡的稳定性。在水位变化过程中,利用非饱和-非稳定渗流有限元计算得到孔隙水压力场,基于非饱和土的渗流和抗剪强度理论,对水位变化过程中的边坡临界滑动场法进行改进,提出可考虑水位变化与岸坡非饱和-非稳定渗流过程的边坡临界滑动场数值模拟方法。将改进后的水位变化过程中的边坡临界滑动场法分别应用于黏土、粉土岸坡在水位升降过程中的稳定性分析,研究了水位升降速率及基质吸力对岸坡稳定性的影响,并揭示了边坡在水位变化过程中的稳定性变化历程。研究表明,该方法计算结果合理、可靠,更适用于涉水边坡的稳定性计算,且岸坡稳定性变化历程受水位升降速率、基质吸力等多种因素共同影响,只有在考虑非稳定渗流的基础上同时考虑基质吸力的作用才能正确得出水位变化过程中岸坡稳定性变化规律和实质。     

基于SWCC试验数据的坝体非饱和非稳态渗流与稳定性研究

饱和-非饱和状态是土存在于自然界的真实状态,描述和解释这种状态的非饱和土力学理论在土石坝渗流、污染物传输、冻土渗流相变、边坡和路基稳定性分析等领域有着广泛的应用。非饱和土的土水特征曲线(SWCC)是非饱和土力学研究的基本内容之一,对非饱和土体渗流和稳定性分析至关重要。采用Python语言开发了非饱和渗流与稳定性分析软件包USSA和非饱和土土水特征曲线试验数据处理和模型拟合界面。对非饱和土的土水特征曲线数据进行处理,以模型拟合参数作为基本输入进行非饱和渗流场的模拟,再到非饱和土的稳定性分析,详细呈现了非饱和土渗流与稳定性分析及软件开发的全过程。基于SWCC模型的拟合参数对坝体渗流稳定性进行了分析,分析结果表明水位变化过程中坝体两侧斜坡具有明显不同的稳定性演化规律。当采用有限元强度折减法进行非饱和土斜坡稳定性分析时,最终安全系数为所有边坡安全系数演化曲线的最低包络线。     

Strength reduction FEM in stability analysis of soil slopes subjected to transient unsaturated seepage

The instability of soil slopes induced by the fluctuation of water level or rainfall has received much attention in the literature recently and the failure mechanism is closely related to the change of matric suction of unsaturated soils. Such a change is basically induced by unsaturated transient seepage. The traditional approach for estimating the stability of slopes subjected to unsaturated transient seepage is based on the limit equilibrium method (LEM). The limit equilibrium approach is limited by assumptions about analysis method and failure mechanism. In order to overcome those limitations, a finite element method with shear strength reduction technique (SSRFEM) has been successfully applied to the slope stability analysis in absence of seepage. The main objective of this paper is to extend the use of the strength reduction FEM to include the effects of unsaturated transient seepage and some primary numerical results concerning the stability of an earth dam under rapid drawdown are presented. Emphasis has been given to comparison of the safety factors obtained by LEM and SSRFEM. Topics for the further research in this area are also suggested.     

考虑饱和-非饱和渗流的土坡极限分析

给出了均质土坝的下游坝坡的安全系数的计算方法。均质土坝的下游坝坡有可能会通过滑裂面发生破坏。土坝中的土坡通常处于非饱和状态。非饱和土坡的安全系数计算需要考虑吸力对抗剪强度的贡献以及土坡中的非饱和渗流。给出处于饱和-非饱和渗流状态下的土坡的安全系数,有助于评价均质土坝的安全系数。下游坝坡的安全系数计算方法有：极限平衡法、上限解法和下限解法,该算法适用于非饱和土坡,且是在饱和土坡安全系数的计算方法上修正得到的。算例中非饱和土坡安全系数的计算考虑了吸力对抗剪强度的贡献。考虑非饱和渗流理论的土坡安全系数计算方法通常更加接近现场实际情况,并且对于同一坝坡,考虑非饱和渗流计算出的土坡安全系数要比饱和渗流理论计算出的安全系数大。     

地下水位上升下黄土斜坡稳定性分析

黄土高原一些地区,由于塬上引水灌溉使得地下水位不断抬升,造成黄土滑坡频繁发生。地下水位变化严重影响着黄土斜坡的稳定性。基于饱和-非饱和渗流理论和延伸的摩尔-库伦破坏准则,结合室内饱和和非饱和试验结果,针对泾阳南塬一典型黄土斜坡,考虑地下水位上升情况下,对其进行了瞬态饱和-非饱和渗流分析;然后将计算得到的瞬态孔隙水压力分布用于斜坡的极限平衡分析。结果表明:地下水位上升对暂态渗流场和斜坡稳定性有明显影响;考虑非饱和渗流和吸力强度的边坡稳定分析方法更加符合实际情况。     

降雨入渗非饱和黏土边坡稳定性的极限平衡条分法研究

考虑非饱和黏土边坡的基质吸力和渗流力,根据水位线位于滑面上、下的临界平衡状态,分别建立了滑体条块极限平衡状态下力和力矩平衡式,获得了降雨条件下非饱和黏土边坡稳定性的极限平衡条分法计算式。通过试验、参量变换以及作用力的位置关系可以确定相关参量,并采用数值计算求解临界平衡状态下滑体条块的相互作用力系数和非饱和边坡安全系数。案例结果表明：考虑渗流力时的非饱和黏土边坡安全系数比不考虑渗流力的安全系数降低约13.8%,且考虑渗流力作用的条间力作用系数变化率明显大于不考虑渗流力的结果;当降雨强度超过一定值时,坡面径流很快形成,边坡出现不稳定的时间基本相同。     

考虑非饱和渗流作用下三峡库岸滑坡稳定性研究

水库水位的涨落对库岸滑坡稳定性有着显著影响。三峡水库水位涨落引起滑坡体内地下水位的变化,是非饱和到饱和过程。本文就非饱和渗流理论,在库水位涨落过程中,模拟了三峡库区马家沟滑坡暂态渗流场的变化,分析了库水位变动时孔隙水压力的变化。结合有限元强度折减法,将得到的暂态孔隙水压力以荷载方式叠加到有限元中,对该滑坡稳定性进行评价,并探讨了在一个水文周期内水位涨落时滑坡稳定性的变化。结果表明:不论库水位上升或下降,滑坡体的稳定性都显示先减小后增大的趋势。最后对马家沟滑坡提出了在库水位常规下降速度下抗滑桩与地表排水相结合的治理设计方案。     

Coupled transient saturated–unsaturated seepage and limit equilibrium analysis for slopes: influence of rapid water level changes

This study investigates the influence of the water level fluctuation on the stability of soil slopes using coupled seepage and slope stability analysis. A simulation framework was proposed and implemented seamlessly using Python code to seek insights into three factors that have not been thoroughly studied for this issue: soil unit weight variation in the unsaturated zone, unsaturated shear strength models, and velocity of water drawdown. For this purpose, the seepage analysis was carried out by discretizing a numerical seepage analysis model using a finite element analysis platform, FEniCS. The output of the seepage analysis, i.e., pore water pressure distribution, was used as input for the slope stability analysis. Limit equilibrium methods including the Bishop Simplified method and the Ordinary Method of Slices were modified to take into consideration the unsaturated shear strength, unit weight variation in the unsaturated zone, and hydrostatic pressure changes in response to the water level fluctuation of a reservoir. Both seepage and slope analysis modules were validated against commercial programs. Analysis results obtained with the validated framework clearly revealed the distinct influences of the three factors in representative silty and sandy slopes.

     

非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和分析法研究

研究可以同时考虑渗流、变形与稳定的非饱和土质边坡稳定性分析方法具有重要的理论意义及工程实用价值。基于Fredlund双应力变量理论进行非饱和非稳定渗流-应力耦合分析,同时与传统非耦合渗流方法确定的孔压场进行对比发现,两种方法确定的浸润线变化过程相近,堤底处孔压的最大相对误差为8.8%,验证了耦合分析结果的可靠性。将基质吸力对强度的贡献纳入黏聚力中得到坡体强度参数的空间分布规律,又基于滑面强度参数时空分布规律借助Matlab平台开发了非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和法分析程序。以库水位下降条件下堤坡的稳定性分析为例,将不同方法的计算结果进行对比,发现文中方法搜索得到的滑面位置相对于传统方法要深缓,但总体位置相差不大,不同方法对应的安全系数相差不足0.096,验证了所提方法的合理性。