非饱和土边坡与支挡结构相互作用机理及稳定性分析方法

摘要

作为极为常见的边坡支挡结构，挡土墙和抗滑桩在设计计算方面已有大量研究成果。但目前的支挡结构设计方法，主要包括支挡结构的侧向土压力计算和加固边坡的稳定性分析，仅针对坡体处于饱和或干燥状态，忽略了坡体从非饱和到局部饱和，或饱和到非饱和的渐变过程。事实上，在边坡内由于非饱和区基质吸力的存在，一方面使得土体与支挡结构的切向接触特性和法向土压力分布变得更为复杂；另一方面，非饱和土边坡的水力特性不同于完全饱和或干燥土边坡，由于干湿循环作用会使非饱和区大小发生变动，因此也会影响边坡与支挡结构系统的稳定性和防治效果。在实际工程中，由于基质吸力的减少引起支挡结构破坏和边坡失稳的案例常有发生。这些经验教训表明，在支挡结构设计、施工和工后监测的不同阶段，采用非饱和土力学概念和方法，并明确考虑地下水位以上的基质吸力效应极为重要。因此，在前人已有研究的基础上，本文以室内试验、理论计算以及数值模拟为手段，分别从非饱和土边坡与支挡结构的相互作用机理和稳定性分析方法两个方面展开深入探讨，主要研究工作如下：　　1.非饱和土边坡与支挡结构相互作用机理　　(1)非饱和土与结构物界面剪切试验及强度理论研究。开展非饱和土与结构物界面的大型剪切试验，研究了基质吸力和界面粗糙度对界面剪切行为的影响，并提出了基于广义有效应力的非饱和土-结构物界面的抗剪强度方法，通过对比已有文献数据，验证了该公式的合理性；此外，基于常规饱和界面直剪试验和SWCC曲线试验结果，提出了一种估算非饱和土与结构物界面抗剪强度的简易方法；　　(2)非饱和土与刚性挡墙相互作用试验研究。在平移模式下，开展一系列不同墙面粗糙度和填料含水量的刚性挡墙主动土压力室内模型试验，通过埋设的渗压计和土压力盒分别监测基质吸力和土压力，并采用DIC图像关联技术获取破裂面位置，分析了基质吸力和界面粗糙度对土压力和土体破裂面形状的影响；　　(3)刚性挡墙非饱和土土压力理论计算。基于改进的库伦土楔计算模型，并引入广义有效应力原理，采用极限平衡法求解了考虑界面剪切强度效应的非饱和土主动与被动土压力，通过对比试验和理论计算结果，验证了该计算方法的可靠性，并进行了详细的参数讨论；　　(4)抗滑桩桩侧非饱和土有效土压力理论计算。基于塑性变形理论，推导了考虑吸应力影响的抗滑桩桩身外力沿桩长分布表达式，通过对比OptumG2数值软件计算结果，验证了该公式的合理性，并详细探讨了抗滑桩布置于四种不同假定土中时，桩侧土压力沿桩长分布形态。　　2.非饱和土边坡与支挡结构稳定性分析方法　　(1)非饱和土的上限定理。以广义有效应力原理为基础，将吸应力当作外部应力变量，重新给出了非饱和条件下的功能平衡方程。　　(2)刚性挡墙-非饱和土边坡稳定性系数上限解。考虑界面剪切强度效应，将非饱和填土和挡墙视作一个整体系统，计算了系统的外力功率和内部能量耗散率，由能量法提出了墙土系统的稳定性系数计算方法，通过与OptumG2数值软件和理论计算结果的对比，验证了该方法的可靠性，并进行了详细的参数讨论。　　(3)抗滑桩-非饱和土边坡极限阻滑力上限解。将抗滑桩提供的阻滑力看成未知外力，采用强度折减法和非饱和土上限定理，求解了稳态渗流条件下满足非饱和土边坡达到给定稳定性系数的桩侧极限阻滑力，基于算例验证了该方法的可靠性，并进行了详细的参数讨论。　　(4)抗滑桩-非饱和土边坡极限承载力上限解。采用桩侧非饱和土有效土压力表达式计算抗滑桩提供的阻滑力，并结合强度折减法和上限分析法，求解了稳态渗流条件下抗滑桩加固非饱土边坡的极限承载力，基于算例验证了该方法的可靠性，并进行了详细的参数讨论。

目录

声明

目 录

第 1 章 绪论

1.1 选题的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 边坡与支挡结构相互作用机理研究

1.2.2 支挡结构加固边坡稳定性评价研究

1.3 当前研究存在的问题

1.4 研究内容与技术路线

1.4.1 论文的主要研究内容

1.4.2 技术路线

第 2 章 非饱和土有效应力及强度表达

2.1 概述

2.2 非饱和土的吸力特性

2.2.1 吸力概念

2.2.2 常见吸力量测技术

2.3饱和/非饱和土的有效应力表达

2.3.1 Terzaghi 有效应力原理

2.3.2 Bishop 有效应力原理

2.3.3 广义有效应力原理

2.3.4 关于有效应力原理的若干讨论

2.4 非饱和土的强度准则

2.4.1 Bishop 强度公式

2.4.2 Fredlund 强度公式

2.4.3 Vanapalli 强度公式

2.4.4 扩展双剪统一强度公式

2.5 本章小结

第 3 章 非饱和土与结构物界面强度理论及试验研究

3.1 概述

3.2 饱和/非饱和土与结构物界面剪切强度公式

3.3 非饱和土与结构物界面剪切试验

3.3.1 试验材料

3.3.2 试验设备

3.3.3 试验方法

3.3.4 试验结果及分析

3.4 确定界面剪切强度的简易方法

3.4.1 界面剪切强度预测方法

3.4.2 与试验结果对比

3.5 本章小结

第 4 章 支挡结构与非饱和土相互作用机理试验研究

4.1 概述

4.2 模型箱系统

4.2.1 装土箱

4.2.2 移动挡墙

4.2.3 墙体移动系统

4.3 基质吸力量测

4.3.1 渗压计饱和

4.3.2 渗压计标定

4.3.3 渗压计埋设

4.4 土压力量测

4.4.1 土压力盒标定

4.4.2 土压力盒埋设

4.5 DIC 图像关联技术

4.6 试验方法及步骤

4.6.1 试验方法

4.6.2 试验步骤

4.7 试验结果分析

4.7.1 填料密实度评价

4.7.2 土体位移场分析

4.7.3 基质吸力分布规律

4.7.4 土压力分布规律

4.8 本章小结

第 5 章 作用于支挡结构上的非饱和土土压力统一解

5.1 概述

5.2 稳态渗流条件下吸应力分布

5.3 刚性挡墙非饱和土主动土压力库伦统一解

5.3.1 基本假设

5.3.2 主动土压力推导

5.3.3 试验及理论结果验证

5.3.4 算例与参数分析

5.4 刚性挡墙非饱和土被动土压力库伦统一解

5.4.1 基本假设

5.4.2 被动土压力推导

5.4.3 试验结果验证

5.4.4 算例与参数分析

5.5 抗滑桩桩侧非饱和土有效土压力统一解

5.5.1 基本假设

5.5.2 桩侧有效土压力推导

5.5.3 数值结果验证

5.5.4 算例与参数分析

5.6 本章小结

第 6 章 非饱和土边坡与支挡结构稳定性上限分析

6.1 概述

6.2 极限分析上限理论

6.2.1 基本原理及方法

6.2.2 考虑孔隙水压力的上限定理

6.2.3 考虑吸应力的上限定理

6.3 刚性挡墙-非饱和土边坡稳定性系数上限解

6.3.1 基本假设和破坏模式

6.3.2 墙土系统能耗计算

6.3.3墙土系统稳定性系数计算

6.3.4 数值及理论结果验证

6.3.5 算例与参数分析

6.4 抗滑桩-非饱和土边坡极限阻滑力上限解

6.4.1问题的提出

6.4.2 桩土系统能耗计算

6.4.3 抗滑桩极限阻滑力计算

6.4.4 理论结果验证

6.4.5 算例与参数分析

6.5 抗滑桩-非饱和土边坡极限承载力上限解

6.5.1 问题的提出

6.5.2 桩土系统能耗计算

6.5.3 边坡极限承载力计算

6.5.4 理论及试验结果验证

6.5.5 算例与参数分析

6.6 本章小结

结论与展望

结论

进一步工作建议

参考文献

附录 A 攻读学位期间论文、科研及获奖情况

致谢