非飽和花崗巖殘積土力學特性與土水特征參數貝葉斯分析.pdf

1、崩崗侵蝕是南方花崗巖地區(qū)土壤侵蝕最為嚴重的類型，而我省的贛南地區(qū)是崩崗侵蝕發(fā)育重災區(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，降雨入滲導致非飽和土邊坡含水量增加，從而導致土中的基質吸力也相應地發(fā)生變化，土體的強度等特性也相應發(fā)生改變。贛南崩崗區(qū)以花崗巖風化殼殘積土為主，該類土的物理力學性質受水的影響顯著，同時還經受干濕循環(huán)作用，開展該類土的非飽和土特性研究可以為贛南地區(qū)崩崗侵蝕機理研究和防治提供理論支持。本文將以花崗巖殘積土

2、為研究對象，采用非飽和土三軸儀和壓力板儀等實驗儀器研究其強度和變形特征以及土水特征曲線的測定，開展基于貝葉斯理論的土水特征曲線預測研究，建立了采用有限數據對土水特征曲線有效地預測的方法，同時進行土水特征曲線模型參數的不確定性分析，獲得土水特征曲線的置信區(qū)間，并應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度和變形特性，利用非飽和土三軸儀對重塑土樣進行控制吸力固結排水剪切試驗，研究干密度、凈圍壓和基

3、質吸力等因素對應力-應變關系、強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，研究表明其應力-應變關系取決于凈圍壓和基質吸力兩者組合。通過分析基質吸力對非飽和土強度的貢獻可知，基質吸力對黏聚力有較大的影響，且呈線性增長趨勢，而對有效內摩擦角影響則較小。同樣對石灰改良花崗巖殘積土進行控制吸力固結排水剪切試驗，以研究石灰含量對非飽和改良土的強度和變形特性的影響，試驗分別采用摻灰比0％、4%和8%的改良花崗巖殘積土

4、，同時還選用了兩種顆粒尺寸（1mm，2mm)花崗巖殘積土進行了相關試驗，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，其強度也相應提高，且黏聚力提高更加明顯，而細顆粒土其顆粒尺寸對強度的影響較小。
　　(2)土水特征曲線用于描述非飽和土中含水量或飽和度與基質吸力之間的關系，在非飽和土力學中非常重要。本文采用GEO-Experts土水特征曲線壓力板儀對崩崗區(qū)花崗巖殘積土進行大量的土水特征曲線實驗，測定了不同初始干密度、不同顆粒

5、級配、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。研究表明：初始干密度對土水特征曲線有影響明顯，土水特征曲線隨著干密度的增大明顯下移，當基質吸力較大時，有著相互聚攏的趨勢；當干密度相同時，顆粒級配小的土樣的吸力更大；土水特征曲線也有隨著石灰含量的增加而下移的趨勢，表明其水穩(wěn)定性變好；在干濕循環(huán)作用下，土水特征曲線的脫濕曲線和吸濕曲線有顯著的滯回現象，滯回圈的面積隨著干密度的增大和干濕循環(huán)次數的增加而

6、減小，摻入石灰后滯回圈的面積也變小。同時還進行了顆粒級配和豎向應力對土水特征曲線的影響研究，通過施加豎向應力以模擬不同顆粒級配的土壤在受力狀態(tài)，并獲得其相應的土水特征曲線。在無豎向應力時，不同顆粒級配土樣的土水特征曲線差別不大，但有豎向應力時，不同顆粒級配土樣的土水特征曲線差別明顯，且有隨著豎向應力增加而增大的趨勢。在低基質吸力區(qū)豎向應力對土水特征曲線的影響更為明顯，而在高基質吸力區(qū)的影響則相對更小。根據試驗獲得的數據利用Fredlun

7、d& Xin g模型、Van Genuchten模型和Gardner模型三種土水特征曲線擬合模型對其進行擬合，通過三種模型的擬合結果對比可知，Van Genuchten模型可以很好地描述和預測崩崗侵蝕區(qū)非飽和花崗巖殘積土的土水特征曲線。
　　(3)考慮到巖土工程參數和計算模型存在不確定性，根據土水特征曲線預測的自身特點，建立基于貝葉斯更新的土水特征曲線預測框架，將利用現有兩種土水特征曲線預測模型Fredlund& Xing模型和V

8、an Genuchten模型與試驗實測信息相融合，采用貝葉期更新理論框架和前期觀測數據對理論計算模型中的計算參數更新，再利用更新后的參數對土水特征曲線進行更為精確的預測，通過模型參數的不斷更新實現土水特征曲線動態(tài)預測。當采用合理的測量誤差的標準差時，采用有限的實驗數據更新后預測的土水特征曲線精確度較高，通過貝葉斯更新和實驗方法結合方法為快速有效地預測土水特征曲線提供了一種析途徑。
　　(4)土水特征曲線擬合模型中存在多個似合參數，

9、各參數的值通過實驗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的不確定性，將土水特征曲線擬合參數作為隨機變量，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試驗數據，以馬爾可夫鏈蒙特卡羅方法（MCMC方法）的延遲拒絕適應性算法(DRAM算法）獲得模型參數后驗分布抽樣，獲得了不同置信區(qū)間的土水特征曲線及其對應參數值，該方法可以有效地估計土水特征曲線

10、模型的參數，并獲得土水特征曲線的置信區(qū)間。
　　(5)土水特征曲線在邊坡的滲流和穩(wěn)定性分析中具有非常重要的作用，結合土水特征曲線的不確定性，研究了土水特征曲線的置信度對降雨入滲邊坡的滲流場和邊坡安全系數的影響，獲得非飽和土邊坡滲流場和穩(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對邊坡滲流場影響較大，且孔隙水壓力隨降雨歷時變化最為明顯，孔隙水壓力隨降雨歷時的增長速率隨著土水特征曲線的置信度百分點的增加而增大；隨著置信度百分點的