非飽和花崗巖殘積土力學(xué)特性與土水特征參數(shù)貝葉斯分析.pdf

1、崩崗侵蝕是南方花崗巖地區(qū)土壤侵蝕最為嚴(yán)重的類(lèi)型，而我省的贛南地區(qū)是崩崗侵蝕發(fā)育重災(zāi)區(qū)。影響邊坡崩崗侵蝕的因素是多方面的，水是最主要的外因，降雨入滲導(dǎo)致非飽和土邊坡含水量增加，從而導(dǎo)致土中的基質(zhì)吸力也相應(yīng)地發(fā)生變化，土體的強(qiáng)度等特性也相應(yīng)發(fā)生改變。贛南崩崗區(qū)以花崗巖風(fēng)化殼殘積土為主，該類(lèi)土的物理力學(xué)性質(zhì)受水的影響顯著，同時(shí)還經(jīng)受干濕循環(huán)作用，開(kāi)展該類(lèi)土的非飽和土特性研究可以為贛南地區(qū)崩崗侵蝕機(jī)理研究和防治提供理論支持。本文將以花崗巖殘積土

2、為研究對(duì)象，采用非飽和土三軸儀和壓力板儀等實(shí)驗(yàn)儀器研究其強(qiáng)度和變形特征以及土水特征曲線(xiàn)的測(cè)定，開(kāi)展基于貝葉斯理論的土水特征曲線(xiàn)預(yù)測(cè)研究，建立了采用有限數(shù)據(jù)對(duì)土水特征曲線(xiàn)有效地預(yù)測(cè)的方法，同時(shí)進(jìn)行土水特征曲線(xiàn)模型參數(shù)的不確定性分析，獲得土水特征曲線(xiàn)的置信區(qū)間，并應(yīng)用到降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性分析中。
　　(1)為探討崩崗區(qū)非飽和花崗巖殘積土強(qiáng)度和變形特性，利用非飽和土三軸儀對(duì)重塑土樣進(jìn)行控制吸力固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，研究干密度、凈圍壓和基

3、質(zhì)吸力等因素對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度特性和體變特性的影響，分析非飽和花崗巖殘積土在控制吸力條件下的剪切性狀，研究表明其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系取決于凈圍壓和基質(zhì)吸力兩者組合。通過(guò)分析基質(zhì)吸力對(duì)非飽和土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)可知，基質(zhì)吸力對(duì)黏聚力有較大的影響，且呈線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而對(duì)有效內(nèi)摩擦角影響則較小。同樣對(duì)石灰改良花崗巖殘積土進(jìn)行控制吸力固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，以研究石灰含量對(duì)非飽和改良土的強(qiáng)度和變形特性的影響，試驗(yàn)分別采用摻灰比0％、4%和8%的改良花崗巖殘積土

4、，同時(shí)還選用了兩種顆粒尺寸（1mm，2mm)花崗巖殘積土進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，石灰改良土的黏聚力和摩擦角隨著石灰含量的增加而增大，其強(qiáng)度也相應(yīng)提高，且黏聚力提高更加明顯，而細(xì)顆粒土其顆粒尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響較小。
　　(2)土水特征曲線(xiàn)用于描述非飽和土中含水量或飽和度與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系，在非飽和土力學(xué)中非常重要。本文采用GEO-Experts土水特征曲線(xiàn)壓力板儀對(duì)崩崗區(qū)花崗巖殘積土進(jìn)行大量的土水特征曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了不同初始干密度、不同顆粒

5、級(jí)配、不同石灰摻加量以及干濕循環(huán)作用下的重塑非飽土崩崗區(qū)花崗巖殘積土試樣的土水特征曲線(xiàn)。研究表明：初始干密度對(duì)土水特征曲線(xiàn)有影響明顯，土水特征曲線(xiàn)隨著干密度的增大明顯下移，當(dāng)基質(zhì)吸力較大時(shí)，有著相互聚攏的趨勢(shì)；當(dāng)干密度相同時(shí)，顆粒級(jí)配小的土樣的吸力更大；土水特征曲線(xiàn)也有隨著石灰含量的增加而下移的趨勢(shì)，表明其水穩(wěn)定性變好；在干濕循環(huán)作用下，土水特征曲線(xiàn)的脫濕曲線(xiàn)和吸濕曲線(xiàn)有顯著的滯回現(xiàn)象，滯回圈的面積隨著干密度的增大和干濕循環(huán)次數(shù)的增加而

6、減小，摻入石灰后滯回圈的面積也變小。同時(shí)還進(jìn)行了顆粒級(jí)配和豎向應(yīng)力對(duì)土水特征曲線(xiàn)的影響研究，通過(guò)施加豎向應(yīng)力以模擬不同顆粒級(jí)配的土壤在受力狀態(tài)，并獲得其相應(yīng)的土水特征曲線(xiàn)。在無(wú)豎向應(yīng)力時(shí)，不同顆粒級(jí)配土樣的土水特征曲線(xiàn)差別不大，但有豎向應(yīng)力時(shí)，不同顆粒級(jí)配土樣的土水特征曲線(xiàn)差別明顯，且有隨著豎向應(yīng)力增加而增大的趨勢(shì)。在低基質(zhì)吸力區(qū)豎向應(yīng)力對(duì)土水特征曲線(xiàn)的影響更為明顯，而在高基質(zhì)吸力區(qū)的影響則相對(duì)更小。根據(jù)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)利用Fredlun

7、d& Xin g模型、Van Genuchten模型和Gardner模型三種土水特征曲線(xiàn)擬合模型對(duì)其進(jìn)行擬合，通過(guò)三種模型的擬合結(jié)果對(duì)比可知，Van Genuchten模型可以很好地描述和預(yù)測(cè)崩崗侵蝕區(qū)非飽和花崗巖殘積土的土水特征曲線(xiàn)。
　　(3)考慮到巖土工程參數(shù)和計(jì)算模型存在不確定性，根據(jù)土水特征曲線(xiàn)預(yù)測(cè)的自身特點(diǎn)，建立基于貝葉斯更新的土水特征曲線(xiàn)預(yù)測(cè)框架，將利用現(xiàn)有兩種土水特征曲線(xiàn)預(yù)測(cè)模型Fredlund& Xing模型和V

8、an Genuchten模型與試驗(yàn)實(shí)測(cè)信息相融合，采用貝葉期更新理論框架和前期觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)理論計(jì)算模型中的計(jì)算參數(shù)更新，再利用更新后的參數(shù)對(duì)土水特征曲線(xiàn)進(jìn)行更為精確的預(yù)測(cè)，通過(guò)模型參數(shù)的不斷更新實(shí)現(xiàn)土水特征曲線(xiàn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。當(dāng)采用合理的測(cè)量誤差的標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，采用有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更新后預(yù)測(cè)的土水特征曲線(xiàn)精確度較高，通過(guò)貝葉斯更新和實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合方法為快速有效地預(yù)測(cè)土水特征曲線(xiàn)提供了一種析途徑。
　　(4)土水特征曲線(xiàn)擬合模型中存在多個(gè)似合參數(shù)，

9、各參數(shù)的值通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得且具有不確定性。本文探索采用貝葉斯理論分析擬合參數(shù)的不確定性，將土水特征曲線(xiàn)擬合參數(shù)作為隨機(jī)變量，采用Fredlund& Xing模型、VanGenuchten模型和Gardner模型三種模型以及花崗巖殘積土的土水特征曲線(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以馬爾可夫鏈蒙特卡羅方法（MCMC方法）的延遲拒絕適應(yīng)性算法(DRAM算法）獲得模型參數(shù)后驗(yàn)分布抽樣，獲得了不同置信區(qū)間的土水特征曲線(xiàn)及其對(duì)應(yīng)參數(shù)值，該方法可以有效地估計(jì)土水特征曲線(xiàn)

10、模型的參數(shù)，并獲得土水特征曲線(xiàn)的置信區(qū)間。
　　(5)土水特征曲線(xiàn)在邊坡的滲流和穩(wěn)定性分析中具有非常重要的作用，結(jié)合土水特征曲線(xiàn)的不確定性，研究了土水特征曲線(xiàn)的置信度對(duì)降雨入滲邊坡的滲流場(chǎng)和邊坡安全系數(shù)的影響，獲得非飽和土邊坡滲流場(chǎng)和穩(wěn)定性隨置信度的變化規(guī)律。不同置信度的土水特征曲線(xiàn)對(duì)邊坡滲流場(chǎng)影響較大，且孔隙水壓力隨降雨歷時(shí)變化最為明顯，孔隙水壓力隨降雨歷時(shí)的增長(zhǎng)速率隨著土水特征曲線(xiàn)的置信度百分點(diǎn)的增加而增大；隨著置信度百分點(diǎn)的