【摘要】：膨脹工作為自然界一種廣泛分布的非飽和特殊性黏土,因其吸水膨脹失水收縮的特性,其對(duì)暴露于自然環(huán)境下的邊坡工程極易造成重大的影響。建立簡(jiǎn)潔有效的分析方法,分析膨脹土膨脹性對(duì)邊坡工程的影響,明確膨脹土邊坡漸進(jìn)破壞機(jī)理,是解決由其特殊性引發(fā)工程安全問題的關(guān)鍵,具有重要的實(shí)踐意義。因此,針對(duì)非飽和膨脹土邊坡,采取以理論分析、程序開發(fā)、室內(nèi)試驗(yàn)、以及數(shù)值模擬相結(jié)合的研究思路,對(duì)非飽和膨脹土的膨脹模型、參數(shù)確定、工程特性、降雨入滲邊界以及降雨誘發(fā)邊坡漸進(jìn)破壞進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。主要的工作及成果如下:(1)基于增量塑性理論框架,引入雙參數(shù)變切線模量概念,開發(fā)一種改進(jìn)的非線性實(shí)用模型(DM)。通過相關(guān)的室內(nèi)試驗(yàn),驗(yàn)證了DM模型在壓縮、拉伸狀態(tài)下、循環(huán)加/卸載狀況下、壓縮到反向拉伸情況下非線性應(yīng)力應(yīng)變特性,以及土體應(yīng)變軟化的特性。相較于常用的理論模型,該模型通過單參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線由線性至雙曲線的轉(zhuǎn)變,克服了應(yīng)力應(yīng)變曲線形式單一的局限性,具有更廣泛的適用性。(2)在非線性實(shí)用模型(DM)基礎(chǔ)上,通過引入雙相流固結(jié)理論并結(jié)合膨脹應(yīng)變與基質(zhì)吸力的線性假定,開發(fā)一種適用于膨脹土工程的非飽和滲流場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)-膨脹應(yīng)變場(chǎng)多場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)算程序(DMUS)。通過經(jīng)典砂柱排水試驗(yàn)及三維自由膨脹試驗(yàn),驗(yàn)證了 DMUS模型能夠有效反映膨脹土非飽和滲流及固結(jié)的耦合特性、以及濕脹過程中各階段工程特性,對(duì)于預(yù)測(cè)和分析膨脹土工程具有一定適用性。(3)基于常規(guī)的室內(nèi)試驗(yàn)手段,針對(duì)廣西膨脹土進(jìn)行室內(nèi)物理特性、強(qiáng)度、收縮及膨脹試驗(yàn),分析膨脹土工程性質(zhì)變化規(guī)律及相關(guān)影響因素,獲得初始干密度、初始含水量以及干濕循環(huán)對(duì)膨脹土強(qiáng)度、收縮特性、膨脹特性以及膨脹力的影響規(guī)律。(4)基于群體智能差分進(jìn)化算法,搭建多場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)算程序(DMUS)參數(shù)反分析平臺(tái),建立膨脹土膨脹模量參數(shù)的預(yù)測(cè)方法。同時(shí),通過膨脹土膨脹性因素敏感性分析,獲得膨脹性與泊松比、膨脹模量、初始飽和度、上覆荷載、摩擦角、初始模量、粘聚力、干密度以及抗拉強(qiáng)度參數(shù)的定性關(guān)系及敏感性大小。(5)基于坡面流理論,建立適用于多場(chǎng)耦合模型(DMUS)的降雨入滲-產(chǎn)流邊界。通過室內(nèi)降雨入滲試驗(yàn)的比對(duì),驗(yàn)證其適用性。同時(shí),對(duì)斜坡降雨入滲規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)地研究,獲得坡體飽和度、降雨強(qiáng)度以及坡比對(duì)坡面入滲、產(chǎn)流的影響規(guī)律。通過與常規(guī)的簡(jiǎn)化降雨邊界進(jìn)行對(duì)比,獲得了各類邊界的適用范圍,降雨入滲-產(chǎn)流邊界具有更廣泛的適用范圍。(6)應(yīng)用多場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)算程序(DMUS)及降雨入滲產(chǎn)流邊界,進(jìn)行單次降雨誘發(fā)膨脹土邊坡漸進(jìn)性破壞研究,清晰地呈現(xiàn)了單次降雨誘發(fā)的非飽和膨脹土邊坡由坡腳起始,向坡頂延伸的多層、逐級(jí)后退式牽引性滑坡特征。同時(shí),對(duì)降雨誘發(fā)漸進(jìn)破壞過程中破壞形態(tài)、應(yīng)力、位移及其影響因素進(jìn)行細(xì)致分析,明確了坡體漸進(jìn)破壞演化規(guī)律,總結(jié)了降雨誘發(fā)膨脹土邊坡多層逐級(jí)后退式失穩(wěn)破壞機(jī)理。
【圖文】：

便意識(shí)到膨脹土對(duì)工程的危害性［１］。而后，隨著膨脹土工程災(zāi)害逐漸增多，膨脹土逡逑受到工程界的關(guān)注。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，除了南極洲以外，其余六大洲均發(fā)現(xiàn)膨脹土的逡逑存在，如圖１．１ａ世界膨脹土分布圖所示�？梢园l(fā)現(xiàn)，我國是膨脹土分布最廣、面逡逑積最大的國家之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，膨脹土分布面積己超過１０萬平方千米。１９５０年，自逡逑四川成渝鐵路修建以來，膨脹土問題引起國內(nèi)學(xué)者及工程師的普遍重視，己發(fā)生逡逑危害地區(qū)多達(dá)２０多個(gè)省、市及自治區(qū)［２，３］，如圖１．１ｂ中國膨脹土災(zāi)害分布所示。逡逑從區(qū)域分布來看，與其他特殊性黏土一致，膨脹土的分布特征明顯受到氣候與地逡逑理位置的影響［４］。雖然，各地膨脹土的成分及成因各有不同，但其表現(xiàn)出的脹縮特逡逑性卻是高度一致的。逡逑大量工程實(shí)踐表明，構(gòu)筑于膨脹土中的各類工程的變形破壞往往有別于其他逡逑巖土工程。從某種層面上說，膨脹土的危害無處不在。隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，逡逑在諸多工程實(shí)踐需求之下

該類模型在一定程度上體現(xiàn)了含水量與膨脹變形的關(guān)系，但是溫逡逑度擴(kuò)散方程與滲流連續(xù)方程的相似僅在飽和滲流情況下。然而膨脹土作為典型的逡逑非飽和土，基于熱固耦合模塊開發(fā)的膨脹土模型難以真實(shí)的反映膨脹土工程中實(shí)逡逑際水分遷移的特性，繼而難以分析膨脹土邊坡漸進(jìn)破壞過程。逡逑１．２．３膨脹土邊坡漸進(jìn)破壞研究現(xiàn)狀逡逑邊坡失穩(wěn)破壞往往不是一蹴而就，而是由局部破壞逐步累積進(jìn)而形成。根據(jù)逡逑大量膨脹土邊坡失穩(wěn)破壞調(diào)查研究表明［５８＿６３］，膨脹土邊坡極易受到外部環(huán)境因素逡逑的影響，發(fā)生坡面侵蝕、局部崩塌、甚至整體滑移破壞等不同規(guī)模的失穩(wěn)破壞。逡逑由于干縮濕脹的特殊性，膨脹土邊坡破壞特征往往比一般黏性土邊坡具有更為突出的個(gè)性特征：膨脹土邊坡破壞時(shí)常發(fā)生在降雨結(jié)束后一段時(shí)間，具有明顯逡逑的時(shí)間延后性；破壞往往以坡腳局部滑移破壞為起始，隨著滑移面向后擴(kuò)展，形逡逑成多級(jí)滑塊，，直至達(dá)到穩(wěn)定，具備明顯的多層逐級(jí)后退式牽引性的漸進(jìn)破壞特征，逡逑如圖１．２Ｅｓｔｏｎｉａ西部Ｓａｕｇａ滑坡示意圖所示。同時(shí)，坡面淺表層時(shí)常伴隨有侵蝕、逡逑剝落等淺層破壞性。逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TU443

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2633131