非饱和渗流条件下红层路堤稳定性研究

摘要

随着铁路客运专线的发展，为了满足客运专线的运营要求，路基的设计思想与普通铁路相比需要有一个很大的转变，其中集中体现的一点：过去对路基工程主要满足在强度的要求上，而客运专线更体现在对路堤沉降的严格控制中，同时对路堤边坡的稳定性提出了更高的要求。由于路堤填土基本上都是非饱和土，其边坡稳定性和路堤变形理论与饱和土相比，更复杂，同时鉴于红层易于崩解等特性，因此对红层作为填料能否满足客运专线建设的需要作出评价更显得复杂。 本文针对红层泥岩发育的遂渝客运专线和达成复线客运专线建设，以侏罗系遂宁组泥岩为研究对象，对红层填料的工程地质特性、降雨下边坡的稳定性、非饱土路堤沉降计算理论进行了系统的研究。采用常规化学方法、电子显微镜法、X射线衍射法和压汞试验对其化学成分、矿物成分、结构特征和物性参数进行了分析；通过室内膨胀试验和室内浸水与室外大气条件下崩解试验对红层填料的膨胀和崩解等水理性质进行了分析；同时通过三轴剪切试验、渗透试验、CBR试验和蠕变试验对不同压实度的红层填料抗压强度、抗剪强度、渗透性、浸水后承载能力、长期强度等主要工程特性进行了分析。以FLAC<'2d>为基础，利用其白带的fish语言编制了考虑非饱和土水气两相渗流-地表径流耦合程序，假定坡面为不透水边界，利用解析解对坡面产流数学模型的数值解进行了验证，并且通过算例计算分析表明，为了准确地评价降雨对边坡稳定性的影响，建议采用耦合边界进行计算，同时考虑水气两相的流动。通过建立考虑水气两相非饱和渗流的正演有限元模型，以数值模拟结果的出水时间为输入目标，以不同水平参数为输出目标，同时以模型试验结果为测试输入变量，利用径向基函数神经网络模型对不同压实系下红层填料非饱和土参数进行反演；并且利用反演的参数对不同压实下相应初始饱和度数值模拟水渗出时间与实际水渗出时间进行了比较，证明采用径向基函数神经网络模型对非饱和参数反演的可行性。基于非饱和土单变量的有效应力理论为基础，建立了非饱和水气两相的流体-固体耦合方程，在考虑地表径流-地下渗流和流体-固体双耦合的情况下，以达成线K240+10～70段因降雨产生的边坡破坏为工程实例，对计算理论模型进行了数值验证，同时对各种影响边坡稳定性因素进行了数值计算，对其破坏范围、降雨引起的破坏深度和入渗深度进行了分析，综合各种影响因素，其中降雨强度和历时及长期强度的影响最为明显。以单轴压缩红层蠕变试验为基础，提出基于非饱和土单变量理论的红层非饱和土路堤沉降计算理论；通过有限元对不同压实度下的整个离心试验加载过程进行了数值模拟，其结果与实际离心试验结果基本相符；同时通过算例对遂渝客运专线遂宁段某工点实际填筑过程的进行了数值模拟，并对其工后沉降进行了预则，结果表明与根据现场监测数据预测的结果相符。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1问题的提出

1.2国内外研究现状

1.2.1饱和-非饱和渗流研究现状

1.2.2地表径流研究现状

1.2.2降雨对边坡稳定性影响的研究现状

1.2.3路堤本体沉降变形理论的研究现状

1.3存在的问题及拟解决办法

1.4论文主要研究内容及技术路线

第2章 红层泥岩填料工程地质特性

2.1引言

2.2红层泥岩的成分及微结构分析

2.2.1化学成分

2.2.2矿物成分及微结构

2.3红层泥岩的物性参数分析

2.4红层泥岩填料水理性质

2.4.1红层泥岩填料的膨胀特性

2.4.2红层泥岩崩解特性

2.5红层泥岩填料的主要工程特性

2.5.1红层泥岩填料的压实特性

2.5.2红层泥岩填料的抗压强度

2.5.3红层泥岩填料的抗剪强度

2.5.4红层泥岩填料的渗透特性

2.5.5红层泥岩填料CBR强度

2.5.6红层泥岩填料的长期强度特性

2.6本章小结

第3章 考虑地表径流-渗流的耦合理论与应用研究

3.1引言

3.2饱和-非饱和水气两相渗流的基本理论

3.2.1水气两相流体驱动势

3.2.2饱和-非饱和水气两相渗流达西定律

3.2.3土-水特征曲线和非饱和水气两相渗透函数

3.2.4饱和-非饱和水气两相渗流的基本微分方程

3.3边坡降雨入渗问题

3.3.1边坡降雨入渗过程

3.3.2边坡降雨入渗过程的影响因素

3.4坡面流问题的基本理论

3.4.1经典的坡面流问题

3.4.2坡面流控制方程与定解条件

3.4.3坡面流微分方程的解析解

3.5地表径流-非饱和渗流的耦合在FLAC中数值实现

3.6坡面产流数学模型的验证

3.7考虑耦合和简化边界对坡面入渗的影响

3.8考虑水气两相对坡面入渗的影响

3.9本章小结

第4章 基于径向基函数神经网络模型对非饱和参数的反演

4.1径向基函数网络算法的原理

4.1.1径向基函数网络结构

4.1.2径向基函数

4.1.3径向基层的工作原理

4.1.4 RBF网络的训练

4.2非饱和参数的反演

4.2.1模型的制作与设计

4.2.2有限元模拟

4.2.3参数的反演

4.3本章小结

第5章 降雨入渗对路堤边坡的稳定性研究

5.1引言

5.2非饱和土有效应力的描述

5.2.1饱和土的有效应力概念

5.2.2非饱和土的单变量有效应力描述

5.3非饱和土单变量的流固耦合理论

5.3.1传导定律

5.3.2毛细定律

5.3.3流体连续方程

5.3.4流体本构方程

5.3.5流体平衡方程

5.3.6土体平衡方程

5.3.7土体本构方程

5.3.8几何相容方程

5.3.9应力场对渗流场的影响

5.4非饱和土流固耦合在FLAC中实现

5.4.1流体本构方程的离散化

5.4.2节点的流动速率

5.4.3时步的控制

5.5流固耦合对边坡稳定性的影响

5.6工程实例分析

5.7实例分析

5.7.1坡度的影响

5.7.2坡高的影响

5.7.3水平渗透性的影响

5.7.4降雨强度的影响

5.7.5初始饱和度的影响

5.7.6压实系数的影响

5.7.7长期强度的影响

5.8本章小结

第6章 红层路堤非饱和沉降理论研究

6.1引言

6.2土体流变模型理论

6.2.1基本流变元件

6.2.2组合粘弹性模型

6.2.3组合粘弹塑性模型

6.2.4描述土体蠕变特性的其它理论

6.3红层蠕变本构识别

6.4饱和土体的固结-蠕变耦合理论

6.4.1陈宗基流变-固结耦合模型

6.4.2 Merchant流变-固结耦合模型

6.5基于红层蠕变试验的非饱和流变-固结耦合模型

6.6小结

第7章 红层路堤非饱和沉降理论验证

7.1引言

7.2红层填料路堤离心模型试验

7.2.1离心模型试验方案

7.2.2离心模型试验结果分析

7.2离心试验对沉降计算理论的验证

7.3工程实例对沉降计算理论的验证

7.4小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目