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。     

非饱和土的水力和力学特性及其弹塑性描述

简单回顾了非饱和土本构模型研究的发展历程,总结了近几年非饱和土弹塑性本构模型最新研究成果,重点介绍了能统一模拟非饱和土水力性状和力学性状耦合的弹塑性本构模型。通过对建立模型过程中的几个核心问题讨论,较详细地说明该类模型的结构、性能以及相关问题。非饱和土水力性状的滞回性用假定存在饱和度弹性区间的弹塑性过程来模拟;该类耦合模型不仅考虑了吸力对非饱和土水力性状和力学性状的影响,还考虑了饱和度对应力-应变关系和强度的影响以及土体变形对土-水特征曲线的影响。用同一套模型参数,耦合模型可统一预测在吸力控制或含水率控制下沿各种应力路径下非饱和土的水力-力学特性,并简单介绍了膨胀性非饱和土的弹塑性本构模型以及耦合模型在有限元数值计算中的应用。     

非饱和土与特殊土力学及工程应用的研究进展

对非饱和土与特殊土力学及其工程应用的近期进展做了全面系统的总结,内容包括仪器研发、基本特性、理论模型和工程应用。文中对非饱和土的应力理论和本构模型及缓冲材料的热力学特性等前沿科学问题做了重点阐述。在非饱和土的基本问题研究进展方面,详细讨论了持水特性、水气运移特性、结构演化、强度特性、应力理论、本构模型和数值分析;在特殊土研究进展方面,涉及16类土,主要介绍了我国广泛分布的黄土和膨胀土及用于高放废物地质处置库的缓冲材料,对其土压力、增湿变形、蠕变特性、浸水试验、边坡、动力特性和地质灾害等有关问题作了详细讨论;在非饱和土与特殊土力学的应用方面,介绍了两方面的进展:理论成果的工程应用和实用技术的研发。文末对今后的研究工作提出了若干建议。     

非饱和土与特殊土力学及工程应用的研究进展

对非饱和土与特殊土力学及其工程应用的近期进展做了全面系统的总结,内容包括仪器研发、基本特性、理论模型和工程应用。文中对非饱和土的应力理论和本构模型及缓冲材料的热力学特性等前沿科学问题做了重点阐述。在非饱和土的基本问题研究进展方面,详细讨论了持水特性、水气运移特性、结构演化、强度特性、应力理论、本构模型和数值分析;在特殊土研究进展方面,涉及16类土,主要介绍了我国广泛分布的黄土和膨胀土及用于高放废物地质处置库的缓冲材料,对其土压力、增湿变形、蠕变特性、浸水试验、边坡、动力特性和地质灾害等有关问题作了详细讨论;在非饱和土与特殊土力学的应用方面,介绍了两方面的进展:理论成果的工程应用和实用技术的研发。文末对今后的研究工作提出了若干建议。     

基于时变监测数据的降雨滑坡多目标随机反分析

基于非饱和土流-固耦合理论和贝叶斯理论,建立了边坡的非饱和土流-固耦合随机反演模型,提出了基于马尔科夫链的多目标随机反分析方法,利用位移和孔隙水压力时变监测数据进行多目标和单目标随机反演,并对反演结果进行比较分析。结果表明,多目标随机反分析参数后验分布标准差较单目标随机反分析明显减小。单目标随机反分析只对本目标进行优化,对其他目标的预测误差较大。多目标随机反分析能同时对所有目标进行优化,反演结果对所有目标误差均较小,95%置信区间较单目标明显收窄,采用不同类型监测数据的多目标随机反分析所得结果更为可靠,预测更为准确。     

地下水渗流力学的发展进程与动向

回顾Darcy定律建立150周年来,地下水渗流力学的发展进程。关于经典理论,根据渗流问题的基本方程与计算方法,从地下水资源评价、地下水流系统中的传质与传热、非饱和土渗流、计算渗流力学4个方面,概述其应用研究的发展历程;从参数的尺度效应、非饱和土渗流、非连续介质渗流、带自由面渗流4个方面,概述其发展的研究现状。结合经典理论的缺陷,讨论了现代渗流理论的发展动向;在回顾Biot耦合渗流理论的发展进程的基础上,探讨存在于耦合渗流理论中的可能缺陷,提出结合Biot波动理论的可能解决方向。     

非饱和土固结理论新进展

总结了国内外多年来在非饱和土固结理论领域研究的主要理论成果,内容包括国内外非饱和土固结理论研究的概况,涉及线性、非线性、弹塑性和结构性等方面,非饱和土固结理论的研究具有非常好的应用前景。但非饱和土固结理论还很不成熟,有待广大科研工作者的进一步研究。     

非饱和土中热−湿−盐耦合作用的稳态分析

以多孔介质理论为基础,研究了稳态条件下非饱和土中温度?水分?盐分多场耦合问题。考虑非饱和土的孔隙被液态水、溶解的盐分、水蒸气和干燥气体等填充,在质量和能量守恒的基础上获得了非饱和土中水分、气体、盐分的质量守恒方程以及能量守恒方程。考虑一维稳态问题,选取温度、孔隙气压、孔隙水压和盐溶液浓度以及它们的导数作为状态变量,得到了问题的状态方程组。在给定的边界条件下,采用打靶法求解了该强耦合的非线性变系数微分方程组,通过与已有的试验结果相比较,验证了模型的有效性。基于数值算例,参数分析了含水率、温度边界、孔隙率等条件对非饱和土中温度场、水分场和盐分场分布的影响规律。     

非饱和土的蒸发效应与影响因素分析

采用非饱和土等温流和考虑热湿耦合的非等温流方程,结合不同的蒸发计算模型,分析了大气蒸发效应对非饱和土吸力变化的影响,并对控制蒸发量计算的多个参数进行了影响程度分析。结果表明,考虑实际蒸发量和非饱和土热湿耦合的水分运动公式能较好地模拟大气影响下非饱和土吸力变化状态,通常所采用的等温流方程加以潜在蒸发量计算非饱和土吸力变化会高估表层蒸发和吸力的下降程度。控制地面蒸发的主导因素是外部气象条件,尤其以太阳净辐射量和风速为最,土体自身特性参数影响程度有限。     

降雨条件下岸堤非饱和边坡变形及加固分析

边坡降雨入渗过程是典型的非饱和流固耦合问题,对不同降雨时长下的边坡进行稳定性分析对安全施工具有重要意义。本文以浙江河堤边坡为例,基于强度折减法和饱和非饱和流固耦合理论,模拟分析了不同降雨时长下,边坡的变形位移以及安全系数。此外还对比分析了不同降雨时长下,土坡加固前后边坡安全系数的变化,桩土之间的应力关系,以及抗滑桩对边坡塑性区的贯通以及稳定性的影响。结果表明,边坡的安全系数与降雨时间呈负相关,随着降雨时间的持续增长,加固后的边坡,其安全系数同样降低,但安全系数明显高于未加固时的边坡,抗滑桩对上部土体向下的滑动变形起到了阻止作用。     

考虑吸附水的非饱和土耗散本构关系研究

为了探索土水吸附特征对非饱和土力学特性的影响,根据赋存环境把土中水分为储存在毛细管内液面张力吸纳作用占主导的自由水和包裹在土颗粒周围基质静电吸着作用占主导的吸附水。通过把土颗粒基质与吸附水一起共同视为非饱和土骨架相,自由水视为液相、土中气视为气相,获得了考虑吸附水的非饱和土功表达式。根据热力学耗散理论,利用功表达式和局部热力学平衡假定,获得非饱和土在绝热变形过程中的熵流和熵产。基于热力学吸附平衡理论获得土中吸附水的吸附方程,进而提出具有实用性的吸附水土-水特征曲线。利用熵产表达式中的热力学共轭量和耗散空间的Drucker 塑性公设,采用纯简化有效应力和有效吸力这一对双应力变量,建立了考虑吸附水的土水完全耦合的非饱和土弹塑性理论框架,据此获得采用净应力和吸力表示的弹塑性柔度矩阵,用于采用上述本构理论建模时理论模型与土工试验成果之间直接相互验证。     

新时代岩土力学基本问题探究北大核心CSCD

“一带一路”新时代背景下大规模的工程建设,推动着岩土工程学科的繁荣和蓬勃发展。土动力学、非饱和土与特殊土力学与环境岩土工程是未来土力学的重点研究方向,有必要进行系统梳理分析。本文从土工动力测试技术、动本构关系和土-结构动力相互作用方面对土动力学的主要内容进行了阐释,然后从非饱和土有效应力原理、非饱和土本构模型及黄土力学特性方面对非饱和土与特殊土力学的基本理论进行了分析,最后对垃圾填埋处置和水土污染等环境岩土工程亟待解决的问题进行了探索,并提出了合理的应对措施。土力学学科面临着极大的发展机遇,也面临着严峻的挑战,这一系列核心问题的解决,必将为全面提升岩土工程项目建设的质量和效益作出贡献。     

Probabilistic Methods Applied to Unsaturated Numerical Modeling

The numerical modeling of unsaturated soil processes is becoming more prevalent worldwide. Although numerical modeling is becoming increasingly accepted in geotechnical engineering practice, care must be exercised and improper modeling techniques and procedures must be avoided. Many issues such as nodal resolution and imperfect convergence can result in inaccurate solutions. Unfortunately, analyses of highly nonlinear unsaturated soil flow and slope stability models can significantly increase the modeling time required. As a result, there is a trend to reduce the number of model runs. Results are often presented to client as single model runs or simplistic sensitivity analysis. This paper presents methodologies for applying probabilistic methods to unsaturated soils seepage and slope stability analysis models. The focus is on the application of the alternative point estimate method to practical problems in such a way as to minimize the number of model runs. The demonstration of a successful application to a waste rock pile is presented.     

非饱和黄土强度参数的试验研究

非饱和土强度理论的研究是非饱和土力学的核心问题。目前公认的非饱和土强度理论是Bishop的单变量理论和Fredlund的双变量理论,二者都引入了基质吸力这一应力参数,只是前者将其归到有效应力中,后者作为独立变量。要得到这两个公式中相关参数需利用控制基质吸力的非饱和土三轴仪或直剪仪测定,控制基质吸力是通过同步增加气压和孔隙水压力保持吸力不变实现的,即所谓的轴平移技术,该项技术一直面临测试周期长的困难和合理性的质疑。鉴于此,本文采用不同含水率的常规三轴CU试验,测定了有效稳态强度参数,得出了吸应力和体积含水率的关系曲线,非饱和强度直接用吸应力函数表达,该强度公式回避了测定基质吸力的问题,便于在工程实际中推广。为了进一步和Bishop及Fredlund的强度公式进行对比,又用张力计测定了同一试样的水土特征曲线,获得了其强度参数。理论上,这3种强度理论对机理的解释不同,但在数学上可以互相转化。从工程应用的角度,基于吸应力的抗剪强度更便于工程应用。     

基于路径的非饱和土抗剪强度指标确定方法

非饱和土的抗剪强度是非饱和土中的基本问题,如何快速、经济地确定非饱和土的抗剪强度指标是非饱和土工程应用的关键性问题之一。非饱和土抗剪强度的黏聚力和内摩擦角是含水指标的函数;通过模拟不同路径下非饱和土抗剪试验,得到黏聚力-饱和度曲线（CDSC曲线）和内摩擦角-饱和度曲线（IFADSC曲线）,进而得到非饱和土抗剪强度指标;在同一路径小区间范围内CDSC和IFADSC曲线近似为直线。通过抗剪强度路径模拟,用常规试验和含水指标得到非饱和土抗剪强度指标,大大地简化了非饱和土抗剪强度指标的确定,为非饱和土土力学理论应用于实际工程提供了有利条件。     

A thermo-chemo-electro-mechanical framework of unsaturated expansive clays

Prediction of the coupled chemo-mechanical behaviours of porous media is an important problem in many areas, i.e., expansive clays in geotechnical and petroleum engineering, engineered barriers in the underground storage of nuclear wastes, and biological tissues in biological engineering. A further complex condition occurs when the voids are not fully saturated by liquid, such that capillary effects cannot be neglected a priori and might play an important role. Focusing on the modelling of expansive clays in the geotechnical field and based on the modified mixture theory, the work presented in this paper contributes to the construction of a theoretical framework used to model such complex coupling behaviours. The Clausius–Duhem inequality, which governs the dissipation associated with mechanical work, phase transformation, mass transport and thermal transport, is rigorously derived. Based on this theoretical framework, a chemo-poro-elastic unsaturated model is developed. The model is subsequently used to simulate the salt solution infiltration process through an unsaturated expansive clayey soil that induces changes in the mechanical and hydraulic field quantities. The logical tendencies are obtained and provide a preliminary demonstration of the capabilities of the newly developed theoretical framework.     

岩体结构理论在中国的广泛、成功应用及进展

岩体结构理论是20世纪中国工程地质的重大理论创新。本文简介了自20世纪70年代岩体结构理论创立以来,在中国得到的广泛应用。为一大批大型、世界级的工程修建中的工程岩体评价和重大工程地质问题解决提供了理论基础和方法。叙述了岩体结构理论在中国岩体稳定性评价、岩体质量分级、岩质斜（边）坡变形破坏机制、大型、巨型水电站建基岩体的选择的成功应用,和中国各工程领域（部门）将岩体结构列入规范,得到的广泛推广。论述了岩体结构划分主要指标的获取方法、量值选取及需要改善的方面,提出了岩体结构新的亚类原位镶嵌碎裂结构和黏结层状结构的典型特征、划分指标及其在工程中的成功应用。     

非饱和土土力学工程应用方法

通过引入文[1]提出的广义朗肯土压力计算公式,本文针对非饱和土主动(被动)土压力计算问题提出了工程应用方法,能够把非饱和土土压力理论应用于实际工程。该方法可以推广到非饱和土地基承载力、边坡稳定等其他领域,从而为非饱和土土力学理论应用于工程实践提供了一个新的思路。     

Fully coupled elastoplastic hydro-mechanical analysis of unsaturated porous media using a meshfree method

This paper presents the first application of an advanced meshfree method, ie, the edge-based smoothed point interpolation method (ESPIM), in simulation of the coupled hydro-mechanical behaviour of unsaturated porous media. In the proposed technique, the problem domain is spatially discretised using a triangular background mesh, and the polynomial point interpolation method combined with a simple node selection scheme is adopted for creating nodal shape functions. Smoothing domains are formed on top of the background mesh, and a constant smoothed strain, created by applying the smoothing operation over the smoothing domains, is assigned to each smoothing domain. The deformation and flow models are developed based on the equilibrium equation of the mixture, and linear momentum and mass balance equations of the fluid phases, respectively. The effective stress approach is followed to account for the coupling between the flow and deformation models. Further coupling among the phases is captured through a hysteretic soil water retention model that evolves with changes in void ratio. An advanced elastoplastic constitutive model within the context of the bounding surface plasticity theory is employed for predicting the nonlinear behaviour of soil skeleton. Time discretisation is performed by adopting a three-point discretisation method with growing time steps to avoid temporal instabilities. A modified Newton-Raphson framework is designed for dealing with nonlinearities of the discretised system of equations. The performance of the numerical model is examined through a number of numerical examples. The state-of-the-art computational scheme developed is useful for simulation of geotechnical engineering problems involving unsaturated soils.