坡底积水条件下粘性土坡稳定性分析—毕业设计论文.doc
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1、摘 要本文针对受降雨积水影响显著的粘性土坡,运用土壤水分运动的理论和二维非稳态渗流有限元模型,模拟雨水入渗引起的暂态渗流场,将计算所得到的暂态孔隙水压力分布用于考虑了基质吸力影响的土坡稳定安全系数的计算当中,建立了考虑粘性土坡从雨水入渗到出现滑坡危险全过程的计算模型。通过实例分析,研究了降雨强度、降雨持时以及积水土壤渗透性等重要参数对非饱和土坡渗流场分布、发展和对土坡稳定性的影响。本文通过室内模型试验模拟土坡在降雨、坡底积水情况下用读数显微镜测得土坡各个测点的侧向位移、竖向位移,通过反分析方法,编程处理所有数据,从而得出土坡在降雨、坡底积水情况下的位移场、应力场以及应变场. 从宏观和微观结构分
2、析土坡在降雨条件下的粘性土坡的位移场、应力场、应变场。 经过实验结果的数据比较得出客观可靠的论证说明。关键词:土坡稳定;降雨入渗;积水;粘性土:渗流ABSTRACTThis article in view of the rain water by significant influence on slope of viscous, using the theory of soil water movement and 2-d unsteady seepage finite element simulation model, the rain caused infiltration of the
3、 transient seepage field, will get the transient calculations of the pore water pressure distribution used to consider the impact of the matrix suction soil slope safety factor of safety of calculation, established with viscous soil from rain infiltration to appear the calculation model of the whole
4、 process landslide danger. Through the case analysis, the rainfall intensity, rainfall and water on soil permeability of unsaturated soil slope important parameters seepage field distribution, development and the effect on the stability of slope.This article through the indoor model experimental sim
5、ulation in rainfall, bottom water soil slope under the microscope with reading each point of lateral displacement of the slope, vertical displacement, through the back analysis method, programming to handle all the data, and concluded that the soil of rainfall, bottom water under the condition of di
6、splacement field, stress field and strain field. From the macro and micro structure analysis in rainfall condition of soil under viscous soil for the displacement field and stress field, strain field. After the experimental results of data is concluded the objective and reliable argumentation.Keywor
7、ds: soil slope safety:; Rainfall infiltration:;water:; the cohesive soil seepage目 录第1章 绪论11.1 本课题的现状和发展趋势11.2 研究本课题的目的和意义41.3 本课题研究的内容6第2章 土坡稳定性研究方法92.1 软粘土的抗剪强度指标对土坡稳定性的影响92.1.1 内摩擦角的影响92.1.2 粘聚力对土坡稳定的影响112.1.3 小结122.2 软粘土土坡稳定计算模式122.2.1 极限平衡法122.2.2 塑性极限分析法及模糊极值理论172.2.3 有限元法192.3 土坡稳定性分析各种方法理论的比较
8、与讨论202.3.1 典型条分法202.3.2 有限单元法22第3章 渗流对于边坡稳定影响253.1 降雨入渗过程253.2 降雨入渗对边坡作用机理263.3 渗流控制方程273.3.1 土壤水运动方程273.3.2 非饱和土壤水连续基本方程283.3.3 饱和一非饱和渗流基本微分方程及其GaIerkin解28第4章 土坡室内模型试验314.1 模型试验314.1.1 模拟降雨时土坡模型试验314.1.2 模拟土坡坡前积水模型试验314.2 试验结果324.3 试验结果分析404.3.1 土坡在降雨与坡前积水各个断面铅垂方向位移图比较分析404.3.2 土坡在坡前积水时各个断面竖向位移分析40
9、4.3.3 土坡在降雨条件下的竖向位移等值线图分析404.3.4 坡底积水条件下的土坡竖向位移等值线分析414.3.5土坡在降雨条件下的最大剪应力max和最大剪应变max等值线图分析414.3.6降雨时17、24、34、35点的蠕变曲线分析414.3.7 坡底积水时17、24、34、35点的蠕变曲线分析41第5章 本课题的特色与创新43第6章 结 论45参考文献47致 谢49第1章 绪论1.1 本课题的现状和发展趋势本课题的研究前提条件是积水条件下,而引起积水的情况有很多种,现仅以降雨形成积水的情况进行展开讨论。根据目前国内外研究情况来看, 对于边坡降雨入渗问题研究主要有两个途径: 一是利用野
10、外观测与试验研究分析, 借助数学统计分析方法寻求降雨与边坡稳定性之间的相关规律, 简称数学统计方法; 二是研究降雨入渗引起边坡失稳的物理过程并建立定量的模型进行模拟分析, 从而利用这种模拟分析进行参数研究,简称理论模型数值模拟方法。(1)、数学统计方法国内外许多研究者采用第一种研究途径来寻求降雨与边坡变形、失稳的相关关系, 为滑坡的预测和预防提供科学依据, 例如:19501973年香港地区滑坡与降雨资料, 率先提出了此地区降雨与滑坡关系图, 并指出滑坡发生数量与24 hd降雨量和前期15日累计降雨量有关。当24hd降雨量100mm和前期15日降雨量350mm 时, 诱发至少50处滑坡, 形成灾
11、难性的滑坡事件; 当24 hd日降雨量100 mm和前期15日降雨量200 mm 时, 诱发10 50处滑坡, 形成严重的滑坡灾害事件。B rand等在详细分析了19631983年的滑坡数量与1 30 d的累积降雨关系之后, 认为香港地区的日均滑坡数量和滑坡伤亡人数与前期降雨量之间基本无关系可循,但与小时降雨量关系密切。认为小时降雨量75mm 为灾难性滑坡的临界降雨量, 同时24 hd降雨量也可作为降雨型滑坡的警戒指标, 当24 hd降雨量小于100mm时, 滑坡发生的可能性很小; 当24 hd降雨量大于200mm时, 严重的滑坡灾害肯定1。根据香港地区1 h峰值降雨量与相应的4 h 降雨量所
12、建立的出现严重滑坡的分区图, 分区图可作为预测和预防滑坡的依据。根据旧金山湾地区历史上群发性滑坡、泥石流事件与降雨量的关系, 指出该地区年均雨量大于660mm以上区域, 自然斜坡上泥石流启动的临界降雨强度与降雨持续时间成指数关系。曲焰根据武都古滑坡的监测资料也得出位移量与降雨量之间具有数学指数相关关系2。林卫烈等通过对福建某地一风化壳浅层滑坡为期3年的观测, 运用二元回归法建立指数函数预测模型3。谢守益等对长江三峡库区典型滑坡降雨诱发概率进行分析, 发现降雨是诱发滑坡发生或复活的主要因素, 并得到几个典型滑坡降雨诱发的阀值, 并利用阀值分析了典型滑坡降雨诱发的概率。林孝松根据重庆地区地质、地貌
13、特点的分析, 得到降雨强度大于等于I00mm /d稳定性差、处于临界稳定状态的斜坡地段开始变形, 局部破坏、失稳; 降雨强度大于等于150 mm /d稳定性较差的斜坡地段普遍出现变形、破坏并发生崩塌、滑坡和泥石流等灾害4。陈正洪等从几十个典型滑坡事例出发, 分析了我国湖北省降雨型滑坡泥石流的时空分布特征和与之密切相关的降雨气候条件的时空分布规律, 得到日降雨量大于50 mm (暴雨) 天数为最紧密因子。谢剑明等根据浙江省降雨的特点, 将降雨分为台风降雨和非台风降雨, 采用统计方法研究了区域性滑坡灾害与台风区和非台风区降雨量及降雨强度的相关性, 通过相关性分析确定了有效降雨量模型。得到了浙江省区
14、域性滑坡发生的临界降雨量和降雨强度阀值及其滑坡发生的滞后时间, 并将滑坡灾害的空间易发性与降雨量和降雨强度相结合确定了滑坡灾害的空间预警区划指标和等级。此外, 胡明鉴等以蒋家沟流域滑坡堆积坡地进行降雨激发滑坡实验, 试验反映了降雨前期雨量, 临界雨量和滑坡发生后雨量的不同作用, 三者是相互依赖, 相互影响的5。日本Jagannath Jos hi等经过对日本福冈县阿波罗山国有林地降雨引起的31 处滑坡的统计分析表明, 42%的滑坡发生在凹坡, 32% 发生在直坡, 26%发生在凸坡, 径流流经地表裂隙两次以上的地点, 引发滑坡危险性更大, 发生频率达45.2%5。通过上述途径是目前降雨型滑坡预
15、报中最常用的研究方法, 这种方法最大优点是仅仅依赖于历史数据或试验数据, 不要考虑降雨在岩土体中的作用过程和滑坡自身的演变过程。归纳出降雨与边坡稳定性的相关关系可作为本地区或本边坡的中短期滑坡预测和预防, 由于各个滑坡体地质结构、地层岩性、地下水状况等具体情形不同, 所以不能外延至其他地区或其他滑坡的分析, 具有一定的局限性。(2)、理论模型数值模拟方法国内外也有许多研究者致力于理论模型数值模拟研究。降雨型滑坡形成机理的本质在于雨水入渗边坡后破坏了边坡的应力平衡体系。因而, 从理论上揭示雨水入渗后边坡应力的变化过程、雨水在边坡中的渗透特性和渗透过程以及暂态附加水荷载问题等是理论模型数值模拟研究
16、的关键。Lumb在研究了香港地区降雨和滑坡的关系时,率先提出了一种简化的一维垂直入渗模型。该模型计算考虑了地质条件和降雨特性对边坡稳定性的影响,比如土的入渗能力、土的初始饱和度、降雨强度与降雨持时曲线、暴雨前降雨量、间歇性降雨以及坡面防渗情况等。研究认为香港地区边坡的稳定性受岩土的入渗能力控制。但模型中假定导水率K 及扩散度D均为常量, 这些假定与实际情况存在差距。Fredlund等反复强调负孔隙水压力对边坡稳定性的影响, 分析中采用模拟降雨前稳态渗流条件下的孔隙水压力分布作为暴雨期间瞬态分析的初始条件, 并假定孔隙空气压力不变, 用Ga lerk in有限元法模拟稳态和瞬态渗流场, 通过渗流
17、分析得出暴雨开始后不同时刻的孔隙水压力分布, 并重新推导边坡稳定分析中的安全因数计算公式, 从而分析边坡在不同时刻的稳定性。分析结果表明负孔隙水压力在抗剪强度发挥中起主要作用6-7。Sammon和Tsnboyanm a也用Galerkin有限元法模拟暂态渗流过程, 并对边坡稳定性进行了参数研究8。渗流分析采用的控制方程为R ichard 方程, 稳定性分析采用简化Bishop法。模型中假定降雨强度参数保持不变, 而边坡长度、土层深度、横截面形状和土的性质等参数作为变量。分析表明: 对边坡稳定性不利的参数取值情况是较低的导水率, 较长的边坡,较浅的土层深度和凹形的边坡表面。A lonso等进行了
18、边坡二维渗流和极限平衡法的联合分析, 渗流分析中采用考虑空气压力变化的耦合型控制方程。考虑的影响因素包括土的类型、降雨持时、降雨强度、水分保持曲线的形状和土的渗透性。研究结果表明: 安全因数变化所需的时间与土的渗透系数成反比, 且饱和渗透系数时, 在降雨的当时看不出安全因数明显下降; 对于水分保持曲线形状比较光滑(亦即级配较好) 的土, 安全因数下降所需延迟时间较为显著; 高降雨强度和低渗透性的参数组合可导致降雨后安全因数的低9。Shimada等用G alerk in 有限元法模拟二维渗流,采用刚体弹簧模型进行边坡稳定性数值分析。考虑的影响因素包括降雨强度和岩土的类型。计算结果表明: 较高的降
19、雨强度可以显著降低模型边坡的安全因数; 渗透性函数对模型边坡安全因数的降低只有较小影响; 在岩土的水分保持曲线靠近饱和一端, 基质吸力的较小改变可引起模型边坡安全因数的大幅度降低。Sun等认为空气压力对非饱和土的渗流有明显的影响, 发展了应力和两相流的耦合理论。用一个将吸力、饱和度和孔隙组比联系在一起的状态方程作为附加方程, G alerkin有限元法用于离散控制方程, 有限差分公式用于离散时域, 并将总水头、空气压力及饱和度视为独立变量。分析结果表明, 由于空气压力的影响, 使朝向边坡深部的渗流变慢, 而边坡浅层将迅速饱和。雨水入渗造成边坡浅部从坡顶至屯坡脚方向的渗流, 并很易在坡脚产生破坏
20、。Ng 等针对香港情况用有限元法研究了各种降雨事件和初始条件对暂态渗二流和边坡稳定性的影响。研究结果表明雨水入渗引起基质吸力的减小和土渗透性的增大, 并在主要地下水位以上出现上层滞水水位。安全因数不仅受到降雨强度、初始地下水位和各向异性渗透比的控制, 而且还取决于先期降雨的持时。陈守义通过数值计算方法求解任意给定的入渗和蒸发边界条件下边坡土体的瞬态含水率分布及与其相对应的瞬态抗剪强度参数分布。吴宏伟等用有限元法模拟边坡上雨水入渗引起的暂态渗流场, 将计算得到的暂态孔隙水压力分布用于边坡的极限平衡分析。陈善雄等针对香港地区一种典型非饱和土斜坡, 用有限元法模拟雨水入渗引起的暂态渗流场, 然后将计
21、算得到的暂态孔隙水压力分布用于斜坡的极限平衡分析。计算中采用延伸的摩尔- 库伦破坏准则以便考虑基质吸力对抗剪强度的贡献, 研究了降雨特征、水文地质条件及坡面防渗处理等因素对暂态渗流场和斜坡安全因数的影响。数值模拟结果表明: 降雨强度、降雨历时和雨型对暂态渗流场及斜坡稳定性有明显的影响; 土体的渗透系数, 尤其是渗透系数各向异性的影响特别显著; 斜坡中相对隔水层的存在以及斜坡防渗护面的效果等因素的影响均不容忽视。张有天等根据降雨入渗分析所得的岩坡饱和非饱和渗流场来确定暂态附加水荷载, 并用裂隙网络模型对一岩石边坡工程进行了降雨入渗下的非恒定- 饱和非饱和渗流场分析, 根据渗流场的计算结果, 对降
22、雨入渗所产生的暂态孔隙水压力分布进行了探讨。姚海林等分析了考虑裂隙及雨水入渗影响的膨胀边坡稳定性情况, 表明裂隙的存在对边坡中孔隙水压力和体积含水量分布有较大影响, 膨胀土渗透性越低越应注意裂隙的作用。黄润秋等根据饱和非饱和渗流场的计算结果对考虑降雨入渗的露天矿边坡进行稳定性分析, 结果表明边坡稳定安全系数随降雨入渗的进行将逐渐减小。朱文彬等以非饱和土质边坡为对象, 利用土水特征曲线确定不同含水率时的土体抗剪强度参数, 进而利用极限平衡方法来完成考虑降雨入渗的边坡稳定性计算。此外, 吴俊杰等揭示了基质吸力对边坡稳定所起的重要作用。沈珠江等建议的非饱和土简化固结理论可以用于模拟膨胀土渠道边坡降雨
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