[发明专利]非饱和土边坡水力力学耦合的稳定性分析方法

权利要求书

1.一种非饱和土边坡水力力学耦合的稳定性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100：根据非饱和土边坡的地质模型、土体物理力学参数、水力力学荷载条件建立边坡的有限元数值模型；

S200：根据非饱和土的巴塞罗那基本模型的Cosserat-Biot连续体有限元数值模拟方法，计算生成边坡在重力和降雨作用下的初始应力场和孔隙流体压力场，并将边坡的初始位移场、速度场、应变场清零；

S300：根据边坡安全系数求解的二分法的初始要求，设置合理的安全系数的上限值、下限值；

S400：根据非饱和土的巴塞罗那基本模型以及固、液、气三相的力学渗流耦合的Cosserat-Biot连续体理论，开展非饱和土边坡稳定性分析的强度折减法有限元计算；

S500：以非饱和土边坡稳定性分析的强度折减法的二分法循环计算，获取分析结果，具体包括如下步骤：

基于边坡稳定性分析的强度折减有限元法的相关理论，考虑折减黏聚力和摩擦角，折减公式为

式1和式2中F为折减系数，c、分别为黏聚力和摩擦角，c′、分别为折减后的黏聚力和摩擦角；

基于Fredlund强度折减理论，将基质吸力s产生的强度纳入到总有效黏聚力中，有

式3中c″为折减后的非饱和土黏聚力，χ为吸力参数；

相应地，非饱和土的有效抗剪强度也会随之产生折减，折减后的非饱和土有效抗剪强度τ′_f表示为

针对非饱和土的BBM模型，将非饱和土的前固结压力强度进行折减，对饱和前固结压力进行折减，折减公式为

式5中，为折减后的饱和前固结压力；

根据前固结压力p₀的公式

式6中p_c为参考压力，λ(0)是饱和状态的塑性压力指数，λ(s)和κ分别为由比体积(v)-有效应力自然对数(Inp)曲线斜率对应的塑性压力指数和弹性压力指数。

2.根据权利要求1所述的非饱和土边坡水力力学耦合的稳定性分析方法，其特征在于，以非饱和土边坡稳定性分析的强度折减法的二分法循环计算，获取分析结果的计算步骤包括

S510：将当前折减系数定为安全系数上限值与下限值的平均值；

S520：将土体的黏聚力、摩擦角和前固结压力分别进行折减；

S530：利用折减后的土体参数，开展在重力和降雨荷载作用下边坡的水力力学有限元计算，根据计算过程是否收敛，以此判定边坡的稳定性；

S540：若边坡稳定，将安全系数的下限值扩大为当前折减系数，若边坡不稳定，将安全系数的上限值缩减为当前折减系数；

S550：判断安全系数的上下限值之间的差值是否满足误差要求，如不满足误差要求则继续安全系数求解的二分法的循环计算，如满足误差要求则跳出迭代计算；

S560：在满足安全系数的误差要求后，将当前安全系数的上下限值的平均值设定为最终的边坡稳定性安全系数，并在此安全系数下折减边坡土体的强度参数，计算获得边坡在临界失稳状态下的应力、应变、位移、孔隙水压力、吸力分析结果。

3.根据权利要求1所述的非饱和土边坡水力力学耦合的稳定性分析方法，其特征在于，所述的非饱和土的巴塞罗那基本模型考虑了吸力以及土体抗剪强度和抗压强度的影响，

其中，BBM模型的加载湿陷(LC)屈服面方程表示为

式7中F为加载湿陷屈服函数，I₁为净应力第一不变量，J₂为偏应力第二不变量，p_s表示土的拉伸强度，为主状态线斜率，表示为

式8中为摩擦角；

BBM模型中的前固结压力p₀表示为

式9中p_c为参考压力，为饱和前固结压力；λ(s)和κ分别为由比体积(v)-有效应力自然对数(Inp)曲线斜率对应的塑性压力指数和弹性压力指数；

塑性压力指数λ(s)的自变量s为吸力，λ(s)具体表示为

λ(s)＝λ(0)[(1-r)exp(-βs)+r] -式10

式10中λ(0)是饱和状态的塑性压力指数，r和β为λ(s)函数的率参数和吸力-刚度控制参数；

拉伸强度p_s为

式11中c为黏聚力，黏聚力c为关联吸力和等效塑性应变的函数，采用线性公式表示，即

式12中c₀为初始黏聚力，是吸力摩擦角；

BBM模型的吸力增加(SI)屈服面，即

F₂＝s-s₀＝0 -式13

式13中F₂为吸力增加屈服函数，s₀为非饱和土屈服吸力；

对于非饱和土，其吸力变化会引起体积变形，由吸力变化引起的可恢复的弹性体积变形表示为

式14中Δs为吸力增量，m为Voigt形式的单位静水压力向量，为弹性体积应变增量，h^e为弹性吸力-体应变柔度，表示为

式15中κ_s为弹性柔度系数，P_at为大气压强，e为孔隙比，上面向量m为Voigt形式的单位静水压力向量，对Cosserat连续体可表示为

m＝[1 1 1 0 0 0 0]^T -式16

考虑到达吸力增加屈服面F₂＝s-s₀≥0，且当前吸力增高ds＞0的情况下，土中会相应产生不可恢复的塑性体积变形，此塑性体积应变表示为

式17中为为塑性体积应变增量，h^p为塑性吸力-体应变柔度，表示为

式18中λ_s为塑性柔度系数，屈服吸力s₀的硬化定律表示为

式19中为由吸力作用引起的塑性体积应变。