基于流固耦合理论的饱和-非饱和土开挖边坡稳定性分析.pdf

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1、第3期水利水运工程学报No．32016年6月HYDRO-SCIENCEANDENGINEERINGJun．2016DOI：10．16198／j．enki．1009—640X．2016．03．002张信贵，许胜才，易念平．基于流固耦合理论的饱和～非饱和土开挖边坡稳定性分析[J]．水利水运工程学报，2016(3)：10—19．(ZHANGXin—gui，XUSheng—cai，Y1Nian—ping．Stabilityanalysisofslopesexcavatedinsaturatedandunsaturatedsoilsbasedoncoupledconso

2、lidationtheoriesIJI．Hydro—ScienceandEngineering，2016(3)：10—19．)基于流固耦合理论的饱和一非饱和土开挖边坡稳定性分析张信贵1’2⋯，许胜才1，易念平1(1．广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004；2．工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西南宁530004；3．广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西南宁530004)摘要：现有开挖边坡稳定分析的研究中，综合考虑开挖效应与应力一渗流耦合作用对边坡稳定性影响的分析很少。为此，根据饱和一非饱和土渗流及抗剪强度特性，推导了饱和一非饱和土在应力一渗流耦合

3、作用下的有限元求解方程，介绍了计算饱和一非饱和土开挖边坡稳定性的有限元强度折减技术。建立了一开挖边坡算例进行应力一渗流耦合分析，结果表明，相对于非开挖模式下的计算，开挖卸荷效应对开挖边坡稳定性有一定提高作用，但这一作用随着时间的延长会逐渐减弱直至消失。对影响开挖边坡稳定的各种因素进行了计算分析，开挖速度、初始水位高度、渗透系数以及弹性模量、泊松比等影响因素对应力一渗流耦合作用下的开挖边坡稳定性影响较大，影响规律和以往的研究结论有所不同。关键词：开挖边坡；非饱和土；耦合分析；强度折减法；边坡稳定中图分类号：TU413．6+2文献标志码：A文章编号：1009-64

4、0X(2016)03-0010-10自然界大多数边坡土层处于饱和一非饱和共存的状态，考虑非饱和土的特点，运用流固耦合理论分析渗流场与应力场共同作用下的边坡稳定性，是近年来岩土工程领域研究的热点和难点。以往边坡的渗流分析将渗流与变形分割开来，先对边坡进行单独的渗流分析，在此基础上再结合极限平衡法或有限单元法分析边坡稳定性，忽略了水土相互影响，在理论上不够严谨。最理想的分析方法应是将渗流、变形和边坡稳定通过统一的有限元法求解，而现有文献表明，这方面的研究不多，且各研究所基于的理论和假设也存在差异。在考虑应力和渗流耦合作用下的边坡稳定性分析方面，主要有两个研究方向：

5、一是降雨作用下的边坡稳定问题¨。41；二是水位变化影响下的边坡稳定问题，如水位骤降、骤升等"‘9J。然而这些研究大多是以自然状态的边坡为分析对象，忽略了施工因素如开挖的影响。事实上，开挖增加了自由渗出面，改变了边坡内的渗流路径，从而会引起边坡应力场的改变。同时开挖引起的土体卸荷效应改变了边坡土层的应力场，反过来又将影响到渗流场的变化，而现有关于综合考虑开挖效应与应力一渗流耦合作用的饱和一非饱土边坡稳定分析还鲜见报道。文献[10]采用不同应力路径的三轴试验来反映开挖扰动对土体强度参数的影响，利用受开挖扰动而引起弱化的土体强度参数对基坑边坡进行稳定性分析，并未涉及

6、边坡渗流方面的计算。文献[11]和文献[12]分析了开挖边坡相对于天然边坡在稳定性上的差异，但将边坡看成是均质单相体，并未涉及流固耦合的计算。文献[13]仅利用边坡开挖后的几何构形，对边坡进行了渗流分析，但并未考虑开挖卸荷效应收稿日期：2015-06—02基金项目：国家自然科学基金资助项目(51268003)；广西防灾减灾与工程安全重点实验室开放课题(2012ZDK08)；广西重点实验室系统性研究项目(2013ZDXl1)作者简介：张信贵(1965一)，男，广西北流人，教授，博士，主要从事复合地基及边坡工程问题研究。E—mail：xgzhangehn@foxm

7、ail．corn第3期张信贵，等：基于流固耦合理论的饱和一非饱和土开挖边坡稳定性分析11对渗流场的影响，也未运用流固耦合理论分析开挖边坡的稳定性。极限平衡法分析饱和一非饱和土边坡稳定性，不能反映开挖卸荷效应，不适宜用于考虑开挖效应的边坡稳定分析。而现有针对饱和一非饱和土边坡的有限元计算中，较多对饱和一非饱和渗流做简化处理，较少考虑应力一渗流耦合作用及时间效应的影响。因此，如何将边坡开挖、渗流、变形及破坏过程有机结合，真实反映开挖效应、渗流变化等对边坡稳定的影响仍是值得深入研究的课题。1饱和一非饱和土渗流固结理论1．1饱和一非饱和土渗流及强度特性在饱和一非饱和土

8、体中，由于渗流速度较低，通常用Darc