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原文传递多因素作用下植被对岸坡稳定影响的试验及数值模拟研究

论文题名：	多因素作用下植被对岸坡稳定影响的试验及数值模拟研究
关键词：	内河航道;土质岸坡;稳定性;植被护坡;数值模拟
摘要：	内河航道土质岸坡常年受渗流、船行波和降雨的作用，其稳定性受到威胁。为了防止岸坡失稳现象的发生，维护通航安全，必须对危险岸坡采取治理措施，以提高其稳定性。而植被护坡作为一项兼顾岸坡加固及环境保护的工程技术，在近几十年间被广泛应用于岸坡整治工程。　　对于多因素作用下植被对岸坡稳定影响的研究，目前的研究成果尚未涉及根系对岸坡浅层稳定影响的判别以及船行波作用下草根加筋土动力特性研究。此外，渗透对土体结构性破坏的影响、船行波作用下岸坡的强度折减以及植被覆盖对降雨工况下岸坡稳定影响的相关分析也是不完善的。本文采用土工试验与数值模拟相结合的手法，对植被护坡前后航道土质岸坡在渗流、船行波和降雨作用下的稳定性进行分析研究。内容如下: 　　(1)开展原状素土和重塑素土的三轴渗透剪切试验，研究渗透破坏对土体有效应力强度指标的影响，得出渗流作用后土体内摩擦角不变，粘聚力降低。在此基础上，本文通过莫尔-库仑准则将此破坏作用以“等效围压降低”的形式量化表述。此外，还推导出以指数函数的形式来表征渗透工况下的有效应力强度随水力坡降变化的公式。　　(2)开展重塑草根加筋土的三轴渗透剪切试验，研究根系的存在对土体渗透性和强度的影响，并推导出考虑渗流对草根加筋土强度破坏影响范围的计算公式。　　(3)开展重塑素土和重塑草根加筋土的动三轴试验，研究其孔压和残余应变随循环次数增长的变化规律。通过对比得出根系在抵抗动力破坏的过程中发挥的作用是降低循环荷载作用过程中孔压的增长和残余应变的累积。此外，推导出循环后草根加筋土的抗剪强度折减率随动应力比变化的公式。　　(4)在试验的基础上建立了考虑渗透破坏对土体有效应力强度影响的修正Duncan-Chang本构模型，并以危险滑动区能量积分变化来作为岸坡整体失稳判别准则。此外，针对草本植被根系作用深度较浅而对岸坡整体稳定性基本无影响的特点，提出以岸坡表层植被根系作用区的变形能量总和作为判断根系作用的指标。该研究对全面分析岸坡在渗流作用下的整体及局部稳定性提供了理论依据。　　(5)结合试验得出的素土与草根加筋土的抗剪强度折减率随动应力比的变化公式，通过对软件二次开发，建立了岸坡不同区域内土体抗剪强度指标的弱化模型。此外，提出以岸坡表面最大位移突变作为船行波作用下的岸坡失稳判别准则，从而计算出岸坡在不同船行波荷载作用下所产生的不同的失稳模式。从而对分析船行波作用下草本植被保护岸坡在抵抗动力荷载破坏方面的研究提供了理论依据。　　(6)建立了全面考虑坡面流冲刷强度与植被覆盖影响的降雨工况下植被对岸坡稳定影响的数值分析模型，提出以岸坡发生圆弧滑动失稳之前表层塑性区的发展来表征降雨对岸坡稳定的影响。　　(7)利用本文提出的多因素作用下植被对岸坡稳定影响的分析方法，进一步分别对不同渗流、船行波和降雨工况作用下的内河航道土质岸坡进行稳定性分析，得出:根系在抵抗渗流对岸坡表层变形扰动方面起到了作用;船行波作用后岸坡会在水位线附近和坡脚产生大变形，所以需要着重对这两个区域加强生态和工程保护措施;随植被覆盖率的降低和降雨时间的延长，表层破坏的范围加大，所以需要对岸坡表层塑性破坏区域加强生态及工程保护措施。
作者：	刘旭菲
专业：	水利工程；港口、海岸及近海工程
导师：	王元战
授予学位：	博士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文