地震与降雨耦合作用下边坡渐进性破坏数值分析

来源 :宁波大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhoumi2008
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我国西南地区位于欧亚地震带上,而四川省地震带是最为活跃的区域,加之其独特的地理气候带来丰富的降水,导致地震后次生灾害频发。边坡失稳是最常见的震后灾害之一。在汶川地震中,降雨和地震联合作用加速了边坡失稳,造成了巨大财产损失。因此开展考虑地震与降雨耦合作用下边坡渐进性破坏的研究具有重要的现实意义。为研究地震与降雨耦合作用下土体变形、孔隙水渗流等问题,本文首先提出了一个能统一反映非饱和/饱和土力学特性的弹塑性本构模型,并基于水土完全耦合理论,构建了一套能统一描述不同状态(饱和与非饱和)下土体动态与静态力学特性行为的有限元数值计算平台。主要研究内容如下:(1)基于既有饱和土弹塑性本构模型,采用饱和度和Bishop有效应力为状态变量,提出了一个非饱和土弹塑性本构模型,该模型既可以描述土体在不同饱和状态与不同排水条件下土体力学特性,也可以统一描述土体在静力与动力作用下的力学特性。推导了不同排水排气条件下(不排水不排气、不排水排气、排水排气)本构理论实现过程并程序化,通过对已有试验进行模拟对比分析,验证了所提出模型的正确性。最后通过改变一些关键物理参数,对所提出模型的性能进行了探讨。(2)基于混合多相体质量守恒定律、动量守恒定律,以位移和孔隙水压作为未知量,推导了非饱和/饱和土水土耦合控制场方程,结合有限元-有限差分原理实现了场方程在空间和时间上的离散化。基于Fortran编译软件,开发了有限元程序Geonfea。采用次阶应力积分算法,并成功地将所提出本构模型嵌入到有限元程序Geonfea中。(3)基于本文所提出的数值计算平台,分别对一维固结问题、非饱和一维渗透变形试验、地震加载下的非饱和土边坡离心机试验和降雨与水位升降条件下的边坡模型试验等进行了模拟分析,通过对比分析表明,数值模拟结果能够很好地再现试验结果,验证了所提出数值计算平台的正确性。(4)基于本文所提出的数值计算平台,进行了地震荷载作用下地基土渗流变形的数值计算。讨论了初始地下水位、水位线以上土体参与水土耦合、土水特征曲线的滞回效应等因素对地震加载下地基土渗流变形的影响。研究结果表明:非饱和土具有一定抵抗液化的能力,减饱和度法可作为抗液化的方法之一;在地震荷载作用下非饱和土的饱和度升高,吸力减小,降低了抵抗液化的能力,可能对砂土二次液化产生一定的影响;将非饱和区域设为干燥土体和不考虑土体滞回效应的计算方法对地基长期沉降结果有一定影响。(5)基于本文所提出的数值计算平台,进行了地震-降雨耦合边坡的数值计算。以二维边坡模型讨论了四种加载方式(单一地震、单一降雨、先地震后降雨、先降雨后地震)对边坡稳定性的影响规律。研究结果表明:降雨和地震作用下都会使非饱和土坡饱和度上升,吸力减小,降低了边坡的抗剪强度。相对单一因素,地震和降雨耦合作用会加剧边坡的破坏程度,破坏形式主要以剪切拉伸为主。四种加载方式中,震前持续强降雨对边坡稳定性影响最大。
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