土质边坡的饱和−非饱和渗流分析及特殊应力修正

基于连续多孔介质原理与混合体原理引入流?固耦合模型,采用FISH语言编制程序,建立了初始渗流场设置函数、饱和?非饱和渗流分析模块、特殊应力修正模块以及非饱和单元抗剪强度修正模块,实现了利用FLAC3D进行饱和?非饱和渗流分析,同时基于饱和?非饱和渗流场修正非饱和区土体单元的有效应力以及抗剪强度,完成了将FLAC3D中饱和土流?固耦合计算原理扩展到非饱和土中。在二次开发的分析模块基础上对Liakopoulos砂柱排水试验进行数值模拟,验证了计算模型和计算程序的正确性。同时也研究了降雨入渗对土质边坡的渗流场、位移场以及稳定性演变过程的影响,揭示了降雨诱发边坡失稳的机制。     

基于CT扫描的草炭土孔隙结构分析及渗流模拟

草炭土是在地表积水环境下植物残体经氧化和部分分解作用而堆积形成的一种特殊的腐殖质土。含大量植物纤维的草炭土具有高渗透性、高孔隙比、高含水率等不良工程地质特性。为了探究草炭土的孔隙特征与其孔隙内部的渗流规律,本文以吉林省敦化地区草炭土为研究对象,通过CT扫描技术获取草炭土样的CT序列图像。采用试凑法,通过Mimics的mask体积计算功能并结合土体的真实孔隙率确定了图像二值化的最优阈值,并得到了更接近土体的细观结构的三维重构模型。同时基于Lattice Boltzmann Method原理,在PALABOS代码库的基础上改编程序进行草炭土样的单相渗流模拟,研究了恒定压差下的土体的模拟渗透率值与渗流场的性质,并结合Paraview可视化软件分析了流线与流速在孔隙内的分布情况。研究结果表明:草炭土内部孔隙孔径大小不一,大孔径孔隙与小孔径孔隙形态各异,而植物纤维的架空状分布以及根状孔隙是土体内部形成大孔径孔隙通道的主要原因;流体在其内部流动时,优先以大孔径通道渗流,流线也集中于大孔径渗流通道,流体在大孔径通道内部的流速也高于散布的细小孔径,草炭土的渗透率主要取决于其内部大孔径的数量,因此草炭土的渗透率受到土中植物纤维的含量以及分解度的影响,植物纤维的含量越多,分解度越低,草炭土的渗透率越高,反之则越低。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外试验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的"空气单元",表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在"空气单元"表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外实验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的“空气单元”,表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在“空气单元”表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,本文提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

基于透明岩土材料的可视化渗流实验及其应用前景

渗流模型实验能够模拟天然岩土体中的渗流过程以及流体在介质中的运动规律,因此被广泛地应用于岩土、石油工程等多个领域的研究中.然而在传统的渗流模型实验中,由于模型介质的不透明,流体在介质中具体的渗流过程、扩散规律和赋存状态并不能被直观地观测到.因此在总结了可视化渗流实验的研究进展,归纳了现有成果取得的进展与存在的不足;提出了一种基于透明岩土相似材料,并结合光学观测手段、数字图像处理技术和示踪技术的可视化渗流实验新技术,对比分析了该技术与传统可视化渗流实验的优缺点.结果表明相较于传统渗流实验,该技术除了可以实现具体渗流过程的可视化观测外,还具有装置简单、易于操作、经济适用等方面的优点.表明利用这种材料开展渗流实验的可视化观测是可行的,为基于透明岩土材料的可视化渗流模型实验的开展奠定了理论基础.      

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外实验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的“空气单元”,表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在“空气单元”表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,本文提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

库水动态对沿岸路基应力的影响

基于室内物理模拟试验和FLAC数值模拟方法,对沿河（库）路基岩土体内部的孔隙水应力和总应力在河（库）水位动态变化条件下的变化特征进行了研究,两种模拟方法得出的结果是一致的。研究表明,水位上升阶段,总应力和孔隙水应力的总体变化趋势是增大的,但是总应力增大的幅度小,因而有效应力的总体变化趋势是减小的;水位下降阶段,总应力也略有减小,但由于孔隙水应力的大幅度减小,使得填土内有效应力总体上是增大变化的。同时,用FLAC数值模拟方法,能够很好地研究数据的规律性和掌握数据的连续性。因此,用FLAC有限差分法可以有效地模拟沿河（岸）路基在各种水力边界条件下应力场和渗流场的变化情况。     

非饱和土中水流入渗和气体排出过程的求解

采用孔隙介质力学分析方法,把土体骨架、孔隙水和孔隙气分别作为独立的研究对象,结合孔隙水和孔隙气在气液交界面上满足的力学条件建立耦合方程,求解非饱和土中孔隙水的入渗和孔隙气体的排出过程。对标准砂进行的一维有压水流入渗试验和计算表明,孔隙气的排出过程影响孔隙水的渗流运动。数值计算与试验结果拟合较好。     

基于土体细观结构重构技术的渗流场数值模拟

真实土体的细观结构由许多个大小不一的土颗粒团组成,传统四参数随机生长法（QSGS）构建的土体结构土颗粒团比较均匀,与实际情况存在较大的差异。为弥补这一缺陷,考虑土体孔隙率及自相关函数的影响,对传统的四参数随机生长法进行改进,实现了更接近于真实土体的细观结构重构。在此基础上基于格子Boltzmann方法,采用D2Q9模型,通过设置模型入口、出口边界为非平衡态外推格式,左右边界及土颗粒边界为标准反弹格式的边界条件,建立了模拟重构土体细观渗流场的二维模型。同时,针对一算例编制了相应的计算程序,研究了恒定流速入渗情况下重构土体的细观渗流场。研究表明：土体的渗流方向优先选择连通性较好孔隙所形成的通道,流速受控于通道整体连通性的优劣。整体贯通型的通道流动速度较快,部分连通的孔隙中其流动速度相对较慢。即使局部孔隙空间较大,其渗流速度仍取决于是否位于贯通型通道上。     

某水利枢纽厂房开挖三维可视化与数值模拟耦合研究

对某水利枢纽工程坝址区工程地质三维可视化与FLAC3D数值模拟耦合进行了研究。利用钻孔信息,采用多层DEM技术建立三维格网地层模型,然后,将各种工况几何形体映射到地层格网上。在此基础上,根据FLAC3D建模特点,用一系列横截面切割此三维地质模型,并保证相邻两剖面拓扑一致（或退化）,再通过对相邻剖面网格调整、连接形成FLAC3D基本单元。运用此方法实现了该水利枢纽工程三维数值模拟。     

有效应力对裂缝型低渗透砂岩油藏压力响应的影响

为了研究裂缝孔隙型低渗油藏中流体在双重介质之间的渗流规律及其影响,建立了双重介质间流体窜流的数学模型,并利用拉氏变换数值反演方法给出近似解析解;通过数值计算,研究窜流压力的动态特征,分析储容系数及窜流系数对压力响应的影响;通过压敏试验研究了有效应力对双重介质低渗油藏渗流能力的影响。研究结果表明：储容系数主要决定双重介质之间发生窜流现象的早晚,储容系数越大,发生窜流的时间越晚;储容系数越小,发生窜流的时间越早。窜流系数主要决定双重介质之间发生窜流压力的大小,窜流系数越大,发生窜流的压力越小;窜流系数越小,发生窜流的压力越大。有效应力对裂缝型低渗透油藏的渗流能力影响很大,有效应力的增加能够大大降低裂缝型油藏渗透率和孔隙度,以致降低储层的储容系数和窜流系数,从而影响双重介质间窜流压力的动态特征。因此,在裂缝型低渗透砂岩油藏开采中,保持压力、防止储层伤害是非常重要的。     

基于袋装砂井排水固结法处理软基的沉降过程流固耦合模拟

在软土分布地区,高速公路的“桥头跳车”、路面开裂等一直是困扰工程建设者的最主要问题,而对软土路基的沉降过程进行模拟预测则是其中的难点。利用改进的剑桥模型,采用FLAC3D有限差分软件,以珠江三角洲某高速公路试验段的地层数据进行袋装砂井排水固结法处理软土地基沉降过程的流固耦合模拟,通过模拟结果来对比实际检测的应力、应变情况。结果表明,表面沉降和分层沉降的模拟值与实测值能很好地吻合,模型能较为真实地反映路基沉降变形的实际情况。     

用格子波耳兹曼方法模拟双重孔隙介质中的流体迁移

作者在本文中介绍了基于格子波耳兹曼模型的双重孔隙介质中流体运移的数值模拟计算方法。我们从格子波耳兹曼碰撞模型出发，利用格子波耳兹曼方程、Chapman-Enskog展开，以及多尺度技术，得到了描述双重孔隙介质中流体迁移的二维扩散方程。利用格子气自动机方法计算该扩散方程，实现了对双重孔隙介质中流体运移过程的数值模拟仿真。数值实验表明，我们所使用的方法正确、有效。     

土钉墙数值模拟在干船坞坞墙中应用探讨

从减少基坑开挖过程中坞墙位移和控制坞壁渗水角度出发,利用数值模拟分析,探讨在深基坑开挖中得到广泛应用的普通土钉墙和用于船坞坞室基坑开挖中的复合土钉墙技术,将联合劲性水泥土搅拌桩的复合土钉墙用于干船坞的坞墙结构。从工程探讨角度,研究土钉联合劲性水泥土搅拌桩、预应力锚杆的复合土钉墙在干船坞这一特定条件下的应用问题,并通过分析模拟结果,为干船坞坞墙设计施工过程中安全问题提出一些注意点     

基于格子博尔兹曼方法表征体元尺度土体细观渗流场的数值模拟

为了研究土体的细观渗流特性,假设土体是完全饱和且在渗流过程中水分的流动始终处于层流状态。考虑宏观统计参数（孔隙率、渗透率及有效黏滞系数等）的影响,基于表征体元（REV）尺度的格子博尔兹曼（Boltzmann）方法,建立了压力作用下土体细观渗流的数值模型。采用D2Q9模型考虑水分流动的离散速度分布,宏观边界条件为左右侧面为不透水边界 ,上下边界设置不同的密度来控制压力边界,在微观边界条件上采用非平衡态外推格式。编制相应的计算程序,将计算区域内的多孔介质材料设置成流体（孔隙率 1.0,渗透率 ）,验证了经典的Poiseuille流。此外,结合算例分别讨论了土体在压力作用下孔隙率、渗透率及渗透压力等影响因素与渗流速度的相互关系,研究表明该数值方法与Darcy定律得到的计算结果较为吻合。因此,基于REV尺度的格子Boltzmann方法可以有效地模拟土体的渗流机制,为进一步研究土体渗流特性提供了一种新的研究手段。     

增湿条件下膨胀土隧道衬砌破坏数值分析

针对小河沟膨胀土隧道降雨增湿塌方现象,以围岩含水率分布变化引起膨胀应力场为主要研究内容,展开增湿对隧道支护结构的影响研究。首先,利用热传导热能量平衡方程与孔隙渗流连续方程数学描述相似性,推导出热传导膨胀模拟增湿膨胀的替代方程。然后,结合室内试验和文献资料,率定膨胀土膨胀力及渗流参数。最后,在正确考虑地质构造影响的基础上运用有限差分软件FLAC3D热-力耦合模块进行建模计算,分别对不同膨胀力模型的增湿过程进行仿真模拟,得出支护结构受力变形随含水率分布及膨胀力大小的变化规律。分析得到了对隧道支护结构造成不良影响的关键含水率和膨胀力值。研究成果可以有效指导膨胀性黄土隧道支护设计和变形控制。     

压缩蠕变力学试验的数值模拟研究

由于蠕变试验费时长、耗资大,在实际操作中比较困难,长期以来制约着蠕变试验的发展。本文利用岩土分析软件FLAC3D建立试验模型,对室内蠕变试验进行模拟研究。采用同实际试验相同的试验状态、加载设计和时间设置,得到了同实际情况相似的蠕变曲线并进行了蠕变变形分析,进而延伸到常规三轴压缩的试验状态。     

基于四参数随机生长法重构土体的格子玻尔兹曼细观渗流研究

多孔介质模型的重构问题是土体细观渗流机理研究的基础和关键。由四参数随机生长法(QSGS)构建土体模型,采用格子玻尔兹曼方法(LBM),通过MATLAB自编程序研究重构土在不同条件下的细观渗流机理。结果表明:随模型尺寸增大,孔隙连通程度显著提高,300×300格点大小的模型连通孔隙率增长幅度(34.38%)最大,继续扩大模型尺寸发现增加不明显;流体粒子在孔隙连通性好、孔径大的区域,会形成主渗流通道,且存在指进效应,孔道中间流速最大,可达0.0324,越靠近孔壁流速越小;大孔隙率土的流速比小孔隙率土大,而低孔隙率土中的流速相比大孔隙土更稳定;LBM模拟渗透率与经典K-C公式计算结果对比发现,孔隙率越高计算渗透率越准确(n=0.78,误差为10.22%);土颗粒越小,渗流孔道越细窄、分布越密集,对应的速度场分布更为均匀,同时流速也更小。该研究成果能较好地揭示重构土的细观渗流机理,也可为现有细观土体孔隙流研究提供一定借鉴。     

A numerical formulation with unified unilateral boundary condition for unsaturated flow problems in porous media

This paper proposed a numerical formulation for unsaturated flow problems with nonlinear boundaries of seepage face and soil–atmosphere interface via the concept of parabolic variational inequality (PVI) method. A unified unilateral boundary condition was first proposed to represent the conditions on the seepage face and soil–atmosphere interface boundaries within the partial differential equation (PDE) formulation. A PVI formulation mathematically equivalent to the PDE formulation was then proposed, which automatically transforms the flux part of the unified unilateral boundary condition into the natural boundary condition and eliminates the singularity at seepage points. By discretizing the PVI formulation, a finite element procedure together with an iterative algorithm was suggested. An existing experiment of unsaturated flow in a layered hillside and a laboratory test of unsaturated flow through sand flume performed in this study were used to validate the proposed method, with a good agreement between the measured and computed results and a satisfactory balance of mass being maintained during the simulations. The numerical results also indicated that the problem of mesh dependence associated with unsaturated flow simulations is well addressed with the proposed numerical method. Finally, the process of unsaturated flow in a soil slope with layers of horizontal drains subjected to rainfall/evaporation was further examined. The numerical results reveal that the deployment of drains in a soil slope can significantly lower the pore water pressure around the drains, with the bottom layer drains being most effective in controlling the seepage flow.