降雨入渗时无限边坡的水平位移与稳定性分析

采用Mohr-Coulomb强度理论,对下有不透水层的无限边坡进行了弹塑性分析,探讨了降雨过程中坡面水平位移的变化规律,分析了边坡安全系数和滑坡前坡面水平位移的关系。数值分析表明,土坡的抗剪强度参数、初始应力状态和降雨强度对边坡的安全系数和水平位移都有很大影响,但初始应力状态对滑坡发生的时间没有影响,对于具有较小抗剪强度参数的边坡,如果降雨强度较大,则滑坡时的水平位移较小。     

Probabilistic analysis of strip footings resting on a spatially random soil using subset simulation approach

The failure probability of geotechnical structures with spatially varying soil properties is generally computed using Monte Carlo simulation (MCS) methodology. This approach is well known to be very time-consuming when dealing with small failure probabilities. One alternative to MCS is the subset simulation approach. This approach was mainly used in the literature in cases where the uncertain parameters are modelled by random variables. In this article, it is employed in the case where the uncertain parameters are modelled by random fields. This is illustrated through the probabilistic analysis at the serviceability limit state (SLS) of a strip footing resting on a soil with a spatially varying Young's modulus. The probabilistic numerical results have shown that the probability of exceeding a tolerable vertical displacement (P _e) calculated by subset simulation is very close to that computed by MCS methodology but with a significant reduction in the number of realisations. A parametric study to investigate the effect of the soil variability (coefficient of variation and the horizontal and vertical autocorrelation lengths of the Young's modulus) on P _e was presented and discussed. Finally, a reliability-based design of strip footings was presented. It allows one to obtain the probabilistic footing breadth for a given soil variability.     

降雨入渗对土坡稳定性影响分析

在饱和-非饱和渗流理论基础上,从降雨强度、前期降雨总量、不同的土坡坡度以及是否考虑植被护坡等方面对大气降雨条件下土坡的稳定性进行了探讨.分析结果表明,在土体饱和渗透系数一定的条件下,强降雨对土坡稳定系数影响显著;土坡越陡,降雨强度大小对土坡安全性影响就俞显突出;土坡表层植物根系的存在影响非饱和区渗流场分布,可以延缓非饱和区含水量的增大,土坡稳定系数得到提高.     

降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定分析

针对降雨入渗土坡的稳定问题,建立一个考虑水力渗透系数特征曲线、土-水特征曲线以及修正的Mohr-Coulomb破坏准则的非饱和土流固耦合有限元计算模型,进行雨水入渗下非饱和土边坡渗流场和应力场耦合的数值模拟,得到非饱和土边坡变形与应力的若干重要规律。研究成果为降雨入渗条件下非饱和土边坡的稳定分析提供了基础。     

考虑前期降雨的边坡稳定降雨阈值曲面

在经验性降雨阈值和边坡稳定性数值分析两大类研究的基础上,考虑了降雨入渗和非饱和土性质,使用岩土有限元软件Plaxis高级模式对滑坡预警降雨阈值进行研究分析。算例表明,将降雨量在降雨时间范围内分成2段后,得到的边坡稳定性变化与实际情况更接近,重新定义前期降雨为在给定初始条件下引起边坡最危险滑裂面到坡面之间土体吸力分布发生变化的降雨。前期降雨时长与潜在滑裂面最大深度成正比,与饱和渗透系数成反比。将前期降雨量引入到降雨强度—持时曲线中作为第三个空间坐标轴,将该曲线拓展为前期降雨量-降雨强度-持时曲面。通过一基岩型边坡算例展示了阈值曲面的建立方法,并通过与模型试验数据的对比验证了其可靠性。     

考虑优势流作用的降雨入渗边坡可靠度分析

降雨诱发滑坡是世界上最普遍的地质灾害,而关于降雨入渗对边坡的可靠度分析,优势入渗的影响被长期忽视。使用Comsol Multiphysics对降雨条件下优势入渗做数值求解,利用无限边坡模型计算边坡安全系数;并应用改进Cholesky分解法生成空间相关随机场,使用蒙特卡洛方法分析降雨过程中边坡的可靠度。结合确定性与可靠度计算对比均质入渗与优势入渗在降雨过程中边坡安全性变化：（1）降雨强度较低时,优势入渗安全性较好,而降雨强度较高时,均质入渗更稳定;（2）均质入渗中参数空间变异性是边坡失稳破坏的关键因素,而优势入渗的边坡失稳则由湿润峰快速推进所导致;（3）针对优势入渗模型研究,发现基质域与优势域水力交换强度较大时边坡有更大概率失稳,而较小的水力交换强度可能影响边坡底部的失稳破坏。     

降雨条件下土坡饱和-非饱和渗流及稳定性分析

基于非饱和土力学理论,利用有限元法对降雨条件下边坡的饱和-非饱和渗流及稳定性进行了探讨。数值分析表明,雨水入渗使边坡非饱和区土体的基质吸力减小,是导致边坡稳定性降低的主要因素。进而考察了基质吸力的不同取值及裂隙的不同位置对边坡稳定性的影响,结果表明：在降雨初期基质吸力取值越大,得到的边坡安全系数越高,但经过长时间降雨即边坡土体基本达到饱和后,基质吸力的取值不同对边坡安全系数基本上没有影响;裂隙的存在为雨水入渗提供了良好的通道,因而导致边坡稳定性相对于无裂隙状态来说有所降低。降雨初期下游裂隙使边坡稳定性降低较快,但随着降雨历时的增加,即下游土体逐渐变为饱和状态后,边坡的稳定性变化则主要由上游裂隙控制。     

强降雨条件下土质边坡瞬态稳定性分析

基于实际降雨气象资料,设计了单峰降雨和8个不同时间间隔的双峰降雨计算方案,利用非饱和土力学理论,对边坡的瞬态稳定性进行了计算和分析,研究了水分在坡体内的运移对边坡稳定性的时间空间影响效应,同时考察了降雨入渗造成的土性渗透特性的改变。分析发现：一次降雨的影响历时约12 d,降雨后约0.5 d该类土质边坡最危险;不同时间间隔的两次降雨对边坡稳定的影响比单峰降雨的最小安全系数滞后约0.3 d～0.8 d,影响历时基本保持不变;土体物理力学性质、边坡最危险滑动面及其对应的安全系数随水分在坡体内渗透运移而变化。     

An analytical solution for rainfall infiltration into an unsaturated infinite slope and its application to slope stability analysis

Surficial slope failures in residual soils are common in tropical and subtropical regions as a result of rainfall infiltration. This study develops an analytical solution for simulating rainfall infiltration into an infinite unsaturated soil slope. The analytical solution is based on the general partial differential equation for water flow through unsaturated soils. It can accept soil–water characteristic curve and unsaturated permeability function of the exponential form into account. Numerical simulations are conducted to verify the assumptions of the analytical solution and demonstrate that the proposed analytical solution is acceptable for the coarse soils with low air entry values. The pore‐water pressure (pwp) distributions obtained from the analytical solution can be incorporated into a limit equilibrium method to do infinite slope stability analysis for a rain‐induced shallow slip. The analysis method takes into account the influence of the water content change on unit weight and hence on factor of safety. A series of analytical parametric analyses have been performed using the developed model. The analyses indicate that when the residual soil slope, consisting of a completely decomposed granite layer underlain by a less permeable layer, is subjected to a continuous heavy rainfall, the loss of negative pwp and the reduction in factor of safety were found to be most significant for the shallow soil layer and during the first 12 h. The antecedent and subsequent rainfall intensity, depth of a less permeable layer and slope angle all have a significant influence on the pwp response and hence the slope stability. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

降雨入渗条件下非饱和路堤变形与边坡的稳定数值模拟

对于常常处于非饱和状态的路堤在降雨入渗条件下变形问题的数值模拟研究,由于涉及到非饱和土力学,一直是个热点和难点。现有的强度折减有限元法一般仅对强度指标进行折减,但折减后得到的路堤变形场与实际变形场存在一定差异。论文分析认为,在降雨入渗影响下非饱和路堤不仅强度参数会降低,而且变形参数也会随着应力水平和强度参数的变化而变化。采用基于变模量的弹塑性强度折减法,对不同降雨入渗深度下路堤的变形规律进行数值模拟,并与室内模型试验结果进行比较;同时采用强度折减法和极限平衡法中的Bishop法,分析了不同降雨入渗深度对非饱和路堤稳定性和滑弧变化特征的影响规律。     

降雨作用下煤系土路堑边坡稳定分析

基于掌握的降雨气象资料,利用非饱和瞬态渗流有限元程序对开挖后和风化后两种情况下的煤系土路堑边坡进行了降雨入渗坡体渗流场数值计算和分析。依据非饱和土力学强度理论,基于Morgenstern-Price方法,调用不同降雨时间的渗流计算结果,对两种情况下煤系土路堑边坡的瞬态稳定性进行了计算和分析。研究结果表明,水分在风化煤系土路堑边坡体内的渗透迁移对路堑边坡稳定性和最危险滑动面有时空影响;在煤系土路堑边坡降雨入渗和稳定性分析中考虑风化层较为合理。     

基于FLAC3D平台的边坡非饱和降雨入渗分析

为研究降雨入渗条件下三维边坡渗流场的变化过程,在全面研究FLAC3D软件渗流分析模块功能及算法的基础上,通过编写FISH函数完善了FLAC3D软件的非饱和渗流计算功能。基于降雨入渗机制的分析,编写了降雨入渗及停雨出渗边界的FISH函数,实现边坡三维降雨入渗过程的模拟。通过降雨条件下算例边坡的饱和非饱和渗流场变化过程的数值计算,研究了降雨入渗引起的边坡暂态饱和区变化过程,并与已有研究成果进行对比分析,从而验证了自编FISH函数实现边坡三维非饱和渗流计算结果的正确性。研究成果表明,文中提出的边坡三维非饱和降雨入渗分析是可行的,同时也为三维边坡非饱和渗流场的研究提供了一条有益的途径。     

降雨和蒸发对土质边坡稳定性的影响

降雨入渗降低边坡的稳定性,蒸发增加边坡的稳定性,降雨和蒸发对边坡稳定性的定量研究是很有意义的。采用蒸发和降雨模型对边坡进行非饱和-非稳定渗流分析,用总凝聚力表示的Bishop极限平衡法计算边坡安全系数。采用数值方法对算例土质边坡进行了研究,得到了孔隙水压力随时间变化的关系、边坡安全系数随时间变化的关系。结果显示：土体中孔隙水压力与天气条件、边坡安全系数与天气条件之间存在滞后关系;降雨和蒸发对边坡的表层滑动稳定性影响非常大,对深层滑动稳定性影响相对较小;降雨过程中边坡的临界滑动面由较深位置向较浅位置转变,蒸发过程则相反。     

降雨条件下滑坡排水沟排水数值模拟

地表排水沟是滑坡治理常见措施之一。在降雨入渗与坡面径流有限元耦合模型中,通过调整径流方程中的坡度参数,实现地表排水沟排水模型。模型具有易于理解、实现简单的优点。以地表排水模型为基础,对5种典型滑坡在设与不设排水沟情况下坡体渗流场、坡面径流场、坡体入渗量和入渗过程进行了数值模拟。结果表明,当降雨强度相对土体渗透性较小时,排水沟设置在坡体渗透性由小变大的位置,才能有效地截断上游径流,减小入渗量;而当降雨强度相对土体渗透性较大时,排水沟排水效果并不明显。     

Probabilistic analysis of reinforced slopes using RFEM and considering spatial variability of frictional soil properties due to compaction

Probabilistic stability analyses of constructed wrapped-face reinforced slopes (or embankments) using frictional soils were carried out using the random finite element method (RFEM). Soil properties reported in the literature for unsaturated frictional fills compacted to different densities were used in the simulations. Bar elements were added to the RFEM code to simulate extensible geosynthetic reinforcement layers and the Davis approach was used to improve numerical stability for purely frictional soil slopes at collapse. The influence of isotropic and anisotropic spatially variable soil strength was investigated and shown to have a large influence on the variation of maximum mobilised tensile forces in reinforcement layers for the steep 5 m-high slopes in the study. The influence of fill placed at different layer thickness and compacted to different levels was simulated by adjusting the soil strength and unit weight, and the vertical strength correlation length in the anisotropic spatially variable strength field used in each slope realisation. Numerical results showed that vertical strength correlation lengths approaching the magnitude of fill lift heights can control the probability of failure for reinforced slopes constructed with weak fills placed in lift heights close to but less than the wrapped reinforcement spacing used in the study.     

暴雨型滑坡降水入渗机理分析

暴雨能诱发大量的滑坡发生,在不同地区存在不同的临界降雨值,每当雨强大于该值时,滑坡就会大面积发生,这已经被多起滑坡事件证实。一般地,入渗理论认为,当雨强大于一定值时,入渗率是常量,过强的降水会转化为地表径流,这与雨强越大滑坡越易发生、群发性越强的观察结果不一致。在斜坡体上存在大量的裂隙,它们对降水入渗有着很大的贡献,应用有限单元法分别模拟了有裂隙和无裂隙时斜坡体内瞬态渗流场的变化,并用Bishop法对不同埋深滑动面的稳定性做了计算分析。模拟结果表明：考虑裂隙时的计算结果与宏观观察结果更一致,在评价降雨入渗对斜坡稳定性的影响时,一定要充分考虑裂隙的存在,只有雨强大于一个临界值时才会有充足的降水通过裂隙渗入到斜坡深部,裂隙的影响才显著地表现出来。     

降雨入渗规律的实测与分析

关于降雨入渗可降低土坡的稳定性的研究很多,其机制也逐渐趋明确。然而,一场降雨对土坡稳定产生影响的入渗雨量计算问题还没有得到很好地解决。Holten等研究者的一些计算入渗量的方法在土坡的实际应用中难以满足精度要求;而一些有限元的边界处理方法则建立在假定的入渗规律基础上,多少存在不足。研究设计了室内降雨入渗土柱试验,在初步揭示降雨入渗过程和规律基础上,探讨了准确反映降雨入渗量的有限元计算方法,并通过数值试验进一步揭示室内试验未能明确的降雨入渗规律。     

自然降雨事件下红壤坡地壤中流产流过程特征分析

为研究红壤坡地的壤中流输出特征,采用野外大型土壤入渗装置,对红壤坡面草地和裸地不同深度(30 cm和60 cm)壤中流输出开展自然降雨-产流过程的观测试验。结果表明:① 壤中流产流过程随着土层的加深,滞后时间和拖尾时间均延长,与降雨过程相适性减弱。草地壤中流产流量、峰值、产流历时均大于裸地,其差异在突发型降雨下表现更为明显;② 壤中流产流量和降雨量呈显著性正相关(R2为0.6942~0.8770),但与雨强关系不明显。突发型和峰值型降雨壤中流产流过程洪峰升涨迅速,而均匀型壤中流产流过程平缓。突发型、峰值型和均匀型降雨裸地壤中流产流量与地表径流量相比分别为13.82%、91.73%和159.04%,草地则为118.95%、312.11%和368.33%;③ 土壤前期含水量增加,壤中流产流滞后时间缩短,峰值和流量增大。     

地震与强降雨作用下堆积体滑坡变形破坏机理及防治方案分析

位于西南山地堆积体滑坡常受到地震和强降雨的双重作用,查明此类滑坡变形破坏机理是地质灾害防治和风险防控的基础。文章的研究对象是鲜水河断裂带附近的炉霍县马居滑坡。研究表明,地震作用对位于斜坡地带堆积体滑坡体结构损伤明显,不但使滑坡整体稳定性下降,还促使坡体内裂隙大量发育,利于降雨入渗,进一步恶化滑坡的水文地质条件。强降雨形成的大规模洪水和泥石流下切坡脚沟道,牵引滑坡体整体向下。长历时强降雨入渗影响坡体稳定性,且在降雨结束后较长时间持续影响坡体稳定性。因此,对此类滑坡防治的对策应考虑坡脚防护和抗滑支挡设置。在对防治方案的有效性分析后,表明防护方案在极端条件下仍然能保障安全性,达防治和风险管控的目的。     

降雨诱发浅层滑坡稳定性的计算模型研究

我国是一个滑坡灾害频发的国家,众多事实表明：降雨是影响边坡稳定性,导致边坡失稳的最主要和最普遍的环境因素,是浅层滑坡的触发因素。为了更好地对降雨诱发浅层滑坡进行研究,采用非饱和土VG模型与改进的Green-Ampt入渗模型对Mein-Larson降雨入渗模型进行改进,并结合无限边坡提出了一个降雨诱发浅层滑坡的简化计算模型。与以往提出的简化计算模型相比,该模型既考虑了坡面倾斜的影响,又考虑了非饱和土的特性,并可用于两种降雨形式下的边坡浅层稳定性估算,具有更广的应用范围。通过与有限元得到的结果进行比较可得：在不同降雨条件下,该计算模型得到的各项结果与数值解是接近的,安全系数计算结果是偏于安全的,因此,可将该计算模型用于降雨诱发浅层滑坡的近似估算;该计算模型公式简单,便于计算,计算效率较高。