降雨入渗条件下多级黄土高边坡稳定性分析

在西北地区进行基础工程建设,遇到了大量的多级黄土高边坡工程。边坡工程属于永久性工程,难免遇到降雨状况。降雨入渗会引起边坡土体饱和度与土体重度的变化,进而导致边坡体基质吸力与有效应力场的变化,使边坡的稳定性受到较大的影响。本文通过考虑边坡体不同深度处基质吸力随雨水入渗的变化情况,建立了渗流场与应力场的耦合计算模型,对降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性进行分析。最后,依托实际边坡工程,利用PLAXIS 3D岩土有限元软件,建立边坡稳定性计算模型,通过设置降雨量随时间的变化函数与渗流边界条件,进行降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性数值计算,并与理论分析结果进行了对比分析。根据数值计算结果可得到多级黄土高边坡在降雨入渗条件下的变形、基质吸力、有效应力、潜在滑移面以及安全系数的变化情况,从而对降雨入渗影响下多级黄土高边坡的稳定性做出分析。研究结果可为降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性的研究提供一定的指导作用。     

降雨入渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测

为了对降雨诱发的非饱和膨胀土边坡失稳的机理有较深入的了解,在湖北枣阳选取了一个11 m高的典型的非饱和膨胀土挖方边坡进行人工降雨模拟试验和原位综合监测。监测成果表明：降雨入渗造成2 m深度以内土层中孔隙水压力和含水量大幅度增加,致使膨胀土体的抗剪强度由于有效应力的减少及土体吸水膨胀软化而降低;同时,降雨入渗造成土体中水平应力与竖向应力比显著增加,并接近理论的极限状态应力比,以致软化的土体有可能沿着裂隙面发生局部被动破坏,此破裂面在一定条件下（如持续降雨条件下）可能会逐渐扩展,最后发展成为膨胀土中常见的渐进式滑坡。     

鄂西恩施地区非饱和土降雨入渗规律

在分析鄂西恩施地区降雨特征的基础上,选取6组典型降雨条件,设计并进行了室内人工降雨土柱非饱和入渗试验。通过实测土体体积含水率,揭示了鄂西恩施地区非饱和土降雨入渗规律,获得了降雨入渗影响区体积含水率变化规律、入渗前锋运移规律以及降雨强度和历时对入渗的影响规律。通过GeoStudio软件对室内降雨试验进行了数值模拟,数值模拟结果与试验结果基本相同,进一步验证了降雨入渗规律。同时依据实测结果,分析了数值模拟的不足之处,为通过数值模拟方法研究非饱和土降雨入渗奠定了基础。     

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。     

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。     

降雨入渗对非饱和土边坡稳定性的影响

降雨往往是引起边坡失稳的主要促发因素.根据某算例,采用极限平衡分析方法,讨论了土体的初始体积含水率、降雨的强度、降雨时间对边坡稳定性的影响程度.     

洛阳地区非饱和土强度试验研究

在改进的非饱和三轴仪上针对洛阳地区非饱和土开展强度试验研究,结果表明:粘聚力趋势角相对内摩擦角有更高的变化率、更大的变化范围,似粘聚力和随着饱和度的降低而快速增长。全面地考虑土中力学因素及土体结构影响的强度、变形理论研究是目前非饱和土土力学理论研究领域中的难点,对此用饱和度作控制变量建立了基于饱和度的非饱和土广义双变量强度理论,研究表明这一与以往理论建立思想有所不同的尝试对考虑土中力学因素、土体结构性的影响是有效的。     

基于COMSOL Multiphysics的非饱和裂隙土降雨入渗特性研究

基于COMSOL Multiphysics软件对非饱和裂隙土降雨入渗特性进行数值模拟研究。通过将裂隙和基质分别离散成有限单元,建立了能充分模拟土中裂隙流、基质流以及裂隙-基质流量交换的离散裂隙-孔隙介质模型。结合"空气单元"的概念,对裂隙土的上边界进行模拟。该方法不仅能描述降雨初期雨水沿裂隙优先入渗的现象,还能描述当降雨量大于裂隙土入渗量时雨水沿地表流走的现象。通过对地表以下2 m深度内低渗含裂隙土体进行模拟,分析了裂隙的几何特征、基质的水力特性、前期水分条件以及降雨强度对非饱和裂隙土降雨入渗过程的影响。结果表明,在非饱和裂隙土中,存在两个主要的渗流过程:一是水沿裂隙优先流动;二是水不断从裂隙吸入基质中,基质吸收水的作用抑制了裂隙中优势流的发展。与裂隙的几何特征相比,基质的水力特性对非饱和裂隙土渗流的影响较大。增大基质的饱和渗透系数可能使由裂隙流主导的渗流过程转变为由基质流主导的渗流过程,而基质的非饱和特性与裂隙土的初始含水率改变了土体的储水能力,从而加速或延缓了降雨入渗至某一深度的时间。降雨强度对土体入渗速率和入渗量均有影响,当超过裂隙土的入渗能力时,多余积水沿地表流走,断面入渗率随...     

降雨入渗条件下边坡岩体饱和非饱和渗流计算

简要分析了连续介质饱和非饱和渗流数学模型,并讨论了渗流有限元计算中的有关问题,同时研究了降雨入渗机理及模拟方法,在此基础上编写了非饱和渗流程序SUSC。运用该程序模拟了某边坡降雨过程渗流场的变化情况。计算结果表明,在降雨入渗作用下边坡顶部迅速被饱和,随后表面雨水逐渐向边坡深部下渗,形成从坡顶往深部压力水头等值线由高(零)→低→高的封闭现象。随着降雨的继续,边坡顶部负压区进一步缩小,且负压绝对值减小。降雨结束后,由于上部地下水的继续下渗,在边坡的一定范围、一定时间内压力水头继续升高。根据计算结果可知,局部地方的压力水头最高值出现在降雨结束2 d左右,往后整个边坡非饱和区地下水压力水头全面下降,逐渐恢复原状。模拟结果总体可靠,可作为边坡稳定性分析评价及边坡排水加固的参考依据。同时表明,运用上述饱和非饱和渗流模型及降雨模拟方法,计算降雨条件下边坡岩体的渗流场是可行的。     

非饱和土体降雨入渗的全过程数值模拟

采用Crank-Nicolson型差分格式建立了非饱和土降雨入渗的精细化数值模型,此模型对时间和空间均具有二阶精度。每个时间步长的计算采用迭代过程来提高计算精度,利用此计算模型对某一具体的降雨过程中土体含水量的变化进行了数值模拟计算。     

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。     

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.     

Water infiltration characteristics of unsaturated soil slope and its effect on suction and stability

Rainfall has been considered the cause of the majority of slope failures and landslides that happened in regions experiencing high seasonal rainfalls. The mechanism of the failures was mainly due to the lost of matric suction of soils by rainwater. This paper presents the results of a laboratory model study on the effect of slope angle and surface cover on water infiltration into soil and soil matric suction. A field infiltration test is carried out for comparison. A parametric study is also done to examine the effect of permeability ratio, development of perched water table and rainfall intensity on the factor of safety against instability of a soil slope. Results of the model study show that different surface covers on slopes have an effect on the water infiltration. Generally the covered surface (grass or geosynthetic net) has a lower infiltration rate compared with the bare (no cover) surface. On the effect of slope angle, it was observed that water infiltration decrease with increase in the slope steepness. With regards to the movement of the wetting front, it appears that water infiltration is more at the toe compared with the top of the model slope. Based on the parametric study, it is found factor of safety of the slope against instability drops for slope with higher ratio of permeability for the permeable and impermeable stratum. As the perched water table is formed, the factor of safety decreased. The rainfall intensity also has a marked effect on the slope factor of safety. The higher the intensity of the rainfall, the higher is the infiltration rate into the soil, hence the lower is the factor of safety against slope instability.     

非饱和粉质黏土坡面降雨非正交入渗试验研究

传统降雨入渗分析是以降雨强度在坡面上的正交分量作为边界条件,不符合实际降雨的非正交入渗规律。为了研究非饱和粉质黏土的非正交入渗规律性,首先通过对正交入渗理论的综述,揭示并分析目前降雨入渗理论在坡面流模型和边界条件方面的缺陷。采用自行研制的室内降雨试验装置对非饱和粉质黏土进行不同降雨强度、坡角和孔隙比的降雨入渗试验,结果表明,非饱和粉质黏土坡面降雨入渗是并非简单正交分解入渗而是非正交入渗;对于坡角和孔隙比为定值的土坡,具有最大坡面入渗的最优雨强;土的孔隙比越小,降雨初期入渗率随时间变化越快,入渗率趋于稳定状态越快;入渗率和累积入渗量并不是随坡角的增大呈单调变化,而存在对应入渗水量最少的最优坡角。     

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。     

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。