土质边坡非饱和渗流场与应力场耦合数值分析

阐述了坡面径流-非饱和渗流分析与应力场耦合分析的重要意义和作用;介绍了在非饱和渗流分析中具有重要作用的土-水特征曲线,包括考虑固结压力条件下的土-水特征曲线,并介绍了部分试验成果以及坡面径流-非饱和渗流耦合分析的计算方法;提出坡面径流-非饱和渗流分析与应力场的耦合计算方法,并编制相应的有限元程序;通过算例对比了耦合与非耦合情况下应力场、渗流场的差异,说明耦合分析更符合实际,且所提出的方法是切实可行的。     

降雨条件下岩土饱和-非饱和渗流分析

基于Buckley-Leverett两相渗流方程,提出了新的岩土饱和-非饱和渗流数学模型,利用有限差分方法给出了隐式压力显示饱和度数值求解方法,编制了饱和-非饱和渗流计算程序.结合工程实例,模拟了降雨入渗条件下边坡岩体渗流场孔隙压力变化和含水饱和度变化,模拟结果验证了所提出的模型对饱和-非饱和渗流的有效性.     

深基坑降水中不同的地质模型有限元应用研究

分析水-土耦合场相互作用时,将岩土视作弹塑性材料。在非线性本构关系下,考虑渗透作用,得出岩土体有限元方程,建立了基坑降水的三维水-土耦合的数学模型。对基坑降水中不同的地质模型潜水、承压水及有越流补给和实际工程条件井管、过滤管、止水帷幕分别进行了计算处理,并以武汉国际证券大厦降水工程为实例,对其降水过程进行了三维有限元计算。应用三维数值模拟方法,能很好地模拟基坑防渗帷幕、非均质和各向异性、承压-无压等一些解析法难以处理的实际工程条件和地质模型。     

岩土基坑开挖过程中的周围土体渗流-应力耦合模型

传统渗流-应力耦合模型仅考虑土体的各向同性特征,忽略了工程中应力与渗流的非线性影响,导致计算结果与实际情况偏差较大,由此,设计一种岩土基坑开挖过程中的周围土体渗流-应力耦合模型。搭建测试装置,利用瞬态试验法测定岩土基坑周围土体渗透率,分析岩土基坑周围土体基质块微观结构,得到土体变形方程并求解;从宏观角度分析土体应力,得到应力边界的面力结构,构建土体渗流-应力耦合模型。根据实际情况设定工程边界条件,选择某建筑工程中岩土基坑作为分析实例,测试结果表明,该模型计算结果与实际情况的误差低于0.2 m,可以为岩土基坑开挖提供参考。     

基于浅层地下水回灌的基坑工程沉降防治分析与计算

采用下负荷面剑桥模型,联合渗流方程,建立土-水完全耦合平衡方程计算模型,探讨浅层地下水人工回灌在基坑工程降水过程中抑制基坑周边地面沉降的作用,并以邻近上海地铁一号线的淮海中路3号地块基坑降水为例,对基坑工程实测沉降和回弹数据进行数值拟合,理论结果与实际数据吻合。本方法对基坑工程地下水回灌防止地面沉降有一定参考指导作用。     

饱和-非饱和非稳定渗流的数值模拟

介绍了饱和-非饱和渗流的计算程序数值模拟方法,该方法模拟了降雨过程中边坡内孔隙水压力的变化,克服了传统降雨边界处理方法的缺陷,考虑了降雨过程中地表边界的条件转化,为以后的径流渗流耦合的模拟提供了良好的基础,为降雨诱发滑坡研究提供了定量分析手段。     

高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合机制与数值实现

采用渗流力学、断裂力学理论结合Monte Carlo方法描述岩体裂纹的随机分布,研究高水压作用下岩体原生裂纹的变形和翼形裂纹的萌生、扩展、贯通的渗流-断裂耦合作用机制,建立高水压作用下岩体裂纹的渗流-断裂耦合数学模型,给出该数学模型的求解策略与方法,在Fortran95平台下开发高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合分析程序HWFSC.for。高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合体现在岩体裂纹网络和渗流初始条件都随渗流时步变化。对高压注水岩体裂纹扩展过程进行渗流-断裂耦合分析。结果表明,高压注水条件下,岩体裂纹扩展存在起动水压力,当水压力大于起动水压力时,裂纹尖端开始萌生翼形裂纹,随着裂纹水压力的增加,翼形裂纹扩展,进而与其他裂纹搭接贯通,停止扩展。渗流-断裂耦合分析考虑了裂纹动、静水压力对裂纹产生的法向扩张效应及翼形裂纹的扩展而形成新的渗流通道两方面的影响,连通裂纹数随渗流的发展而增加。岩体裂纹的渗流-断裂耦合分析,能较真实地再现岩体裂纹的水力劈裂现象,描述岩体裂纹的扩展、贯通过程及与之相耦合的渗流响应。     

降雨入渗引起非饱和土边坡破坏的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元分析

为了全面地了解降雨入渗引起的边坡失稳破坏机制,基于有限元-有限差分理论(FE-FD scheme)的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元数值分析方法被提出。程序中采用了Zhang等~([1])提出的以Bishop有效应力和饱和度作为状态变量的非饱和土弹塑性本构模型,从而可以连续地描述在降雨入渗时土体由非饱和状态转化为饱和状态过程中力学特性的变化。同时用Green-Naghdi客观应力速率张量来考虑边坡失稳过程中的大变形问题。程序不仅可以模拟由于降雨入渗引起的水分迁移、孔隙水/气压力变化的过程,而且可以很好地反映出由于降雨入渗所引起的边坡变形、塑性剪切带形成等力学行为。选取室内边坡模型试验为研究对象,用所提出的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元程序来进行数值模拟,并与试验结果对比,验证了所提出的有限元数值方法的有用性。     

基于渗流-应力耦合的库岸边坡稳定性分析——以祥云县清水河水库为例

以祥云县清水河水库为例,利用GeoStudio软件Seep模块,考虑各岩土层的非饱和特性,计算得稳态和瞬态的渗流场;再采用有限元SIGAM/W渗流-应力耦合分析,计算得耦合渗流场、应力场;将前述非耦合和耦合的渗流场、应力场分别导入Slope/W模块,计算得出库水上涨和下落时边坡的潜在滑动面和安全系数,结合最大剪应变云图进行分析,研究出耦合效应对边坡稳定性影响的相关规律为:由于此边坡表面为弱透水的黏土层,库水下降对土坡稳定影响更为不利;库水涨落时耦合分析土坡稳定系数均比非耦合分析大,耦合效应对非饱和土边坡稳定性影响不可忽略;库水上涨,耦合条件下潜在滑动面变深;库水下降时,耦合条件下浸润线更低,这均是由于渗流-应力耦合效应使得土体孔隙比发生改变,水沿岩土层入渗加快,导致土中基质吸力消散更快引起的;由于隔水层的存在,最大剪应变出现的位置一般出现在隔水带,且位于边坡前缘。     

考虑地下水渗流的基坑水土压力计算新图式

用经典的土力学理论计算基坑的水土压力时所得数值和基坑结构上的实测值相差很大,分析了造成这种差异的最重要原因是地下水渗流对基坑土压力的影响,由此提出了考虑地下水渗透力的水土压力计算新图式。该图式对非均质土层基坑工程及边坡工程均适用。通过实例计算表明,根据新计算图式所求得的水土压力值和实测值基本一致。     

挡土结构上的土压力和水压力

总结和分析了在静水压力、稳定渗流和超静水压力作用下,挡土结构上水土压力的计算方法,通过实例说明了水土分算与水土合算结果的差异及考虑水的渗流作用和超静孔压力作用对挡土结构上总压力计算的影响,并强调应进行控制挡土结构稳定的临界状态分析。     

竖向稳定渗流条件下的地震主动土压力分析

基于库仑土压力理论的基本假定和拟动力法的分析思路,以无黏性填土的刚性挡土墙为研究对象,考虑填土中存在竖向稳定渗流的两种工况,推导了地震主动土压力和修正土压力系数的计算表达式。通过程序求解问题并进行参数讨论,分析结果表明,主动土压力随水平地震加速度的增大而明显增大,竖向地震加速度对土压力影响较小,可以忽略不计。墙土摩擦角较小时,土压力随填土摩擦角的增大而单调减小,但当墙土摩擦角增大后,土压力随填土摩擦角的增大出现先减小后增大的情况。渗流方向向下时,土压力随水力梯度的增大而减小;渗流方向向上时,变化规律则相反。与已有的理论方法对比,计算结果基本吻合,验证了该理论方法的正确性。     

深井降水对支护结构土压力的影响

在目前深基坑开挖过程中,一般要采用降水措施以保证基坑干燥,便于施工。基坑降水会引起基坑内外地下水渗流,地下水状态随之改变,同时也会引起土的物理、力学性质的改变,直接影响作用于支护结构上土压力的大小。传统的水土合算和水土分算是两种极端的处理方式,在基坑降水过程中,根据具体土层选择适当的降水模型,并考虑渗流的影响,对挡土结构的设计具有重要意义。     

基质吸力对基坑支护结构土压力的影响研究

在进行基坑支护设计时,现行规范采用朗肯土压力理论计算基坑支护结构土压力。这种设计计算方法是基于饱和土力学理论的,误差较大。依据非饱和土力学理论,对基坑非饱和土体主动土压力及被动土压力计算公式进行了推导。在此基础上,以实际工程为例,就基质吸力及施工季节对基坑支护结构土压力的影响进行了探讨。     

地震条件下挡土墙主动土压力及其分布的新分析法

采用旋转挡土墙计算模型的变换法,将在地震和拟静力法条件下主动土压力的求解问题转化为在静力条件下主动土压力的求解问题。根据在静力条件下水平层分析法的主动土压力推导结果,直接获得在地震条件下主动土压力强度分布、土压力合力及其作用点位置的表达式,并运用图解法得到了临界破裂角的解析解。公式可考虑水平和垂直地震加速度、不同墙背倾角、墙背和坡面倾角与填料存在黏结力和外摩擦角、存在均布超载等诸多因素的影响,公式可以适用于在常用边界和地震条件下黏性土的主动土压力计算。旋转地震角法是将在地震和拟静力法条件下挡土墙计算模型旋转为在静力条件下挡土墙计算模型,但旋转挡土墙计算模型并不改变挡土墙和墙后填土的应力状态,按在静力条件下挡土墙主动土压力求解方法求解在地震和拟静力法条件下主动土压力,该方法大大简化了在地震和拟静力法条件下的主动土压力计算公式推导过程,统一了在拟静力法条件下的地震土压力求解,理论更加完善。     

刚性挡墙后非饱和土破坏模式及主动土压力计算

目前主动土压力计算方法多仅针对土体处于饱和或干燥状态,忽略了其从非饱和到局部饱和,或饱和到非饱和的渐变过程,进而导致计算结果失真。鉴于此,首先开展了一系列刚性挡墙非饱和砂土主动土压力模型试验,揭示了墙后土体的破坏规律：（1）墙后土体顶部出现了近似竖直裂缝,且其发展深度随墙面粗糙度和含水率的增加而变大;（2）墙土界面摩擦对塑性区形状影响较小,且在挡墙移动过程中,墙后土体塑性区形状始终近似保持为平面。在试验基础上,引入广义有效应力原理,基于极限平衡分析建立了考虑吸应力效应的非饱和土主动土压力计算方法,理论与试验实测值表明,所提方法相比其他方法,更接近于试验值。分析了各主要因素对非饱和土压力分布规律的影响,结果表明：主动土压力随有效内摩擦角值增加而减少,而界面摩擦角对其分布影响较小;相比于无吸力情况,考虑吸力时主动土压力更小;随着进气值增加,吸应力对主动土压力的贡献减少,最终趋于恒定。     

考虑位移的柔性挡墙上土压力计算

针对地下连续墙等柔性挡土结构, 根据土体的渐进破坏机制,建立了非极限状态下改进的库仑土压力公式,并推导了填土内摩擦角及墙土接触面上外摩擦角的发挥与土体位移的非线性关系。将这一公式运用到改进的弹性抗力法中,得到了一种新的考虑位移的柔性挡墙上土压力计算方法。算例分析表明,模型板上土压力计算值和试验实测值吻合得较好。该计算方法可用于柔性挡墙的设计及验算。     

多级支挡结构地震主动土压力的极限分析

多级组合支挡结构形式在高边坡防护工程中得到了广泛采用,但现有研究却较少涉及这种支挡结构形式的地震土压力计算问题。应用拟静力法和塑性极限分析上限定理,并且基于强度折减技术,推导了重力式挡墙与两级锚杆挡墙组合支挡结构形式的地震主动土压力及其系数的上限解。该上限解考虑了水平和竖向地震系数、墙背倾角、坡面形式及多级支护方式、土体黏聚力、土体与墙背的黏附力等诸多因素。二级锚杆挡墙实例分析表明：静力条件下主动土压力计算值与现有相关方法的计算结果一致,土的抗剪强度折减系数、上挡墙锚杆轴力等参数,对下挡墙地震主动土压力影响显著。二级组合支挡结构地震主动土压力影响参数敏感性分析表明：水平地震系数以及重力式挡墙墙高和倾角的敏感性较大,上挡墙锚杆的轴力和倾角等参数的敏感性相对较小     

基于薄层单元法主动土压力计算的复合遗传算法

作用于挡土墙侧土压力的计算一直沿用经典的土压力理论,其土压力分布沿墙高呈直线分布,但实践证明它们与实际情况不符。在已有研究成果的基础上,为提高计算精度,假定挡土墙后土体潜在滑裂面为由对数螺线面和平面组合而成,根据挡土墙后土体薄层单元的极限平衡条件推导出土压力的计算公式。由于土压力计算值与滑裂面的位置有关,为寻找潜在最危险滑裂面,在简单遗传算法中引入复合形搜索法得到一种高效的复合形遗传算法,并将其用于墙后填土潜在最危险滑裂面搜索和相应主动土压力计算。最后,对室内模型挡墙和现场实际挡墙后填土土压力进行了分析计算,计算值与实测值吻合很好,这表明该方法不仅可行,而且可靠。