基于同伦分析法的非饱和土层固结问题的级数解

由于非饱和土的渗透系数是基质吸力的函数,使得控制方程带有强非线性的特征,进而使得控制方程的解析求解变得十分困难。同伦分析法对级数基函数和辅助线性算子的选择具有更大的自由性、灵活性,且收敛性的控制和调节更加容易实现,求解强非线性微分方程时在选择线性算子以及辅助参数上具有明显的优势。因此,针对非饱和土固结方程的非线性特征,对于处于地表浅层的非饱和土层,假设孔隙气压力为大气压力,在Richard经验公式与非饱和土一维固结理论的基础上,推导了非饱和一维固结无量纲控制方程;应用同伦分析法,通过选取适当的初始猜测解与辅助参数,将该非线性方程转换为线性的微分方程组并求解得到固结问题的级数解。此外,以压实高岭土为研究对象,在收集相关试验参数基础之上,将由同伦分析法求得的固结问题的近似解析解与有限差分法数值结果相对比,分析结果验证了解析解的正确性。     

成层非饱和土渗流的耦合解析解

成层土在工程中很常见,研究降雨过程中成层非饱和土的渗流-变形耦合对非饱和土土力学的发展具有重要的意义。由流体质量守恒,Darcy定律和Lloret等的非饱和土本构模型可得成层非饱和土渗流-变形耦合的控制方程。采用Gardner的非饱和土的渗透系数公式以及Boltzman模型,基于Laplace变换得到耦合方程的解析解。解析及其参数分析表明,渗流和变形耦合是具有时间效应的。与吸力变化相关的土的模量F,对成层土的孔隙水压力分布有明显影响。两层土的F差异越大,孔隙水压力消散得越慢,耦合效应越不显著。增大表层土的F值有利于降低耦合效应。成层土饱和体积含水率变化对吸力变化产生有限的影响     

水位骤降下边坡渗流场与应力场耦合数值分析

引入非饱和-饱和的渗流分析方法,考虑渗透系数以及饱和度与基质吸力之间的非线性关系,分析渗流场-应力场耦合机理和相互影响关系,并采用渗流场-应力场耦合有限元法对水位骤降下堤坝边坡位移场、孔隙水压力、超孔隙水压力进行具体分析。分析结果表明,利用渗流场-应力场耦合有限元法,比不考虑基质吸力和双场耦合作用分析,更加真实可靠。     

一维稳态入渗时非饱和土基质吸力分布

雨水的入渗和蒸发对土体的其质吸力分布有着重要的影响作用。利用水相连续性条件、广义Darcy定律及Gardner关于非饱和土导水系数和基质吸力的经验公式,建立并求解出非饱和土一维稳态渗流情况下基质吸力沿深度变化的关系表达式。根据所解得的解析解,详细分析了在单一土层情况下参数α、入渗强度q和qlks对基质吸力分布的影响。     

一维稳态渗流时非饱和土中的基质吸力分布

首先对非饱和土中的土水势和干土吸水过程中土水势的变化进行了定性分析。然后利用水相连续性条件、广义Darcy定律及Gardner关于非饱和土导水系数和基质吸力的经验公式,建立了非饱和土一维稳态渗流情况下基质吸力沿深度变化的关系表达式,并利用差分方法对稳态入渗和稳态蒸发两种情况进行了求解。根据提出的方法,不仅可以方便地得到基质吸力沿深度的分布,而且可以求出水头和导水系数沿深度的变化。     

含裂隙非饱和土体的变形与渗流耦合的二维解析分析

含裂隙土体在降雨条件下的渗流规律相对比较复杂,为进一步讨论含裂隙土体渗流机制,在一维解析解的基础上,建立二维饱和-非饱和含裂隙土渗流解析模型,并通过Fourier积分变化推导出二维渗流控制方程的显式解析解。此解析解考虑了多裂隙情况下的孔隙水压力分布和流量边界条件。二维解析解能够准确地获得渗流和变形耦合非饱和土中水的入渗影响规律,并进一步讨论了降雨条件下,不同裂隙模式(裂隙深度、裂隙发育位置及裂隙密集程度)对坡体渗流的影响规律,探讨了含裂隙区域的孔隙水压力分布规律。     

三维饱和-非饱和渗流场求解及其逸出面边界条件处理

对三维饱和-非饱和渗流场的有限单元法求解进行了详细论述,在边界条件中明确列出了非饱和渗流逸出面边界条件的数学表达式。为了理论上能够严密地给出非饱和逸出面的边界条件和数值处理,根据渗流场固有的物理特性,定义了极限含水率和非饱和渗流逸出面蒸逸系数两个渗透基本特性参数。针对渗流场饱和与非饱和逸出面分界线(逸出线)位置事先不知道的问题,提出在这种边界非线性渗流场迭代求解过程中,应根据中间解通过边界条件类型的转化来准确地甄别这一分界线,完整地获得精细地处理饱和及非饱和渗流逸出面边界条件的思路与方法。     

考虑饱和-非饱和渗流场和应力场耦合的三维强度折减有限元程序研制

探索考虑饱和-非饱和渗流场和应力场耦合的三维强度折减有限元技术,并研制成功一个考虑饱和-非饱和渗流场和应力场耦合的三维强度折减有限元程序,通过与传统极限平衡法分析结果对比研究,对抗剪强度折减有限元法分析边坡稳定问题的适用性进行了评价,得出采用三维强度折减有限元法确定考虑饱和-非饱和渗流场的边坡稳定性安全系数是可行的结论.     

灌溉引起地下水位上升对斜坡稳定性的影响——以甘肃黑方台为例

灌溉诱发黄土滑坡是黄土高原地区一种常见的地质灾害,其实质是地下水位上升,引起黄土基质吸力下降,强度降低,最终导致黄土斜坡失稳的过程。以甘肃黑方台典型黄土斜坡为例,在非饱和土特性试验基础上,通过饱和-非饱和渗流分析,研究了地下水位上升引起的黄土斜坡内部渗流场的变化特征,探讨了地下水位变化对斜坡稳定性的影响。结果表明:地下水位上升,对斜坡内部孔压分布影响较大;地下水位上升,导致饱和区域增大,非饱和区基质吸力降低;斜坡内部基质吸力的降低与地下水位呈线性关系。以渗流分析为基础,对典型斜坡进行了极限平衡分析,结果表明,地下水位上升与稳定性系数下降基本上呈线性关系,在距离坡顶100 m位置的黄土层中地下水位约21 m时,边坡出现失稳。     

真空预压加固区硬壳层的水分运移解析解

本文根据非饱和土体的渗流理论,建立水分运移模型,研究真空预压在稳态下的水分运移机制,给出了孔隙水压力分布的控制方程及其解析解。根据工程实测数据验证解析解的结果,并对不同参数进行分析。结果表明：稳态下真空预压水分运移模型计算的结果和现场实测数据基本吻合。扩散通量Q和降饱和系数?对上层非饱和区域的形成位置、强度及厚度的影响较大。扩散通量Q越大,土体表层的基质吸力越大,孔隙水压力变化趋势就越大;降饱和系数?在0.3~1.0 kPa-1内对非饱和土体部分基本没有影响。     

泄洪雾雨区裂隙岩质边坡饱和-非饱和渗流场与应力场耦合分析

岩质滑坡除与地质条件、降雨等因素有关外,泄洪雾雨也成为其不可忽视的催化剂。通过裂隙岩体渗透性与应力关系,裂隙岩体的弹塑性本构关系以及渗流场的控制方程,建立起饱和非饱和渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型。编制了有泄洪雾雨影响的饱和-非饱和渗流与应力耦合三维有限元程序,通过迭代求解达到两场耦合目的。以实际工程为例,根据边坡的地表信息、开挖信息、岩层分界信息以及排水洞和帷幕信息等,建立起边坡地质模型。通过耦合计算,详细分析了耦合后边坡岩体的变形、应力以及塑性区等。计算结果表明,雾雨区的边坡稳定与渗流场变化有着重要关系,在评价边坡稳定与否时,要考虑渗流场对其影响。计算成果为实际工程的安全评价提供了一定的科学依据。     

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。     

降雨入渗条件下非饱和土朗肯土压力分析

传统的土压力分析仅考虑了土体饱和强度对土压力产生的贡献,忽略了基质吸力及其变化对土压力的影响。运用非饱和土有效应力原理和饱和土朗肯土压力公式推导了非饱和土朗肯土压力公式,结合Iverson降雨入渗解析解,推导出降雨入渗条件下非饱和土压力公式。该公式将降雨入渗时的非饱和土压力表示为时间和深度的函数,更符合实际情况。研究结果表明：采用该方法计算得到的土压力值相对于传统计算结果偏大,作用点偏高;此外,随着降雨的发生、入渗和停止,主动土压力呈现“减小-增大-减小-稳定”趋势,被动土压力呈现“增大-减小-增大-稳定”趋势,该现象由降雨过程中基质吸力改变所致。由该公式获得的土压力分布及变化规律可用于挡土工程结构的设计。     

基质吸力对非饱和重塑黄土抗剪强度的贡献

非饱和土抗剪强度随饱和度降低、基质吸力增大而提高.然而,不同类型非饱和土中,基质吸力对抗剪强度的贡献却显著不同.本文通过室内试验,探讨了基质吸力对非饱和重塑黄土抗剪强度贡献的基本特征.研究结果表明,非饱和重塑黄土抗剪强度随着基质吸力的增大,表现为非线性的和明显的4个阶段性增、降和逐渐稳定特征,且分段特征值与土-水特征曲...     

非饱和成都黏土瞬时剖面法渗透性试验研究

非饱和渗透系数是土体渗流分析的基础,成都黏土作为一种典型的非饱和膨胀土,具有吸水膨胀、失水收缩的特性,在受侧限的浸水过程中,土颗粒的膨胀致使孔隙体积减小,渗透性降低,使得直接对其进行非饱和渗透试验十分困难。根据瞬时剖面法的原理,利用EC-5土壤水分传感器测含水率、MPS-2电介质水势传感器直接同步测量同一位置的基质吸力,通过水平渗透试验研究了非饱和成都黏土在侧限条件下的渗透性。含水率和基质吸力的同步测量,保证了其测试条件的一致性,避免了采用其他土水特征曲线的影响。试验表明,试样的非饱和渗透系数为（1.33×10-11~3.14×10-9）m·s-1,非饱和渗透系数与基质吸力并非单调线性关系。基质吸力较高时,受膨胀土颗粒吸水膨胀的影响,渗透系数未出现明显变化,基质吸力降低到一定程度后,渗透系数快速增大。试验结束时土体已接近饱和,土中气体排出较慢,过水断面增加缓慢,促使渗透系数仍然持续增大。采用VG模型拟合k-s曲线,拟合参数α=0.048 kPa-1,n=1.79,m=0.48,试验结果可以用于成都黏土地区的渗流分析。     

巴东组非饱和红土强度与变形特性试验研究

宜昌-巴东段高速公路修建中形成了大量的路堑边坡,上覆为巴东组红层残坡积红土。降雨条件下,土体强度急剧下降,导致大量路堑边坡失稳。目前针对巴东组残坡积红土强度与变形特性开展非饱和试验的研究较少,为探索基质吸力对红土强度的影响,对红土进行了土水特征曲线、三轴强度试验,采用GDS三轴系统对红土进行了饱和及非饱和剪切试验,非饱和三轴试验采用了常含水量试验方法。结果表明:基质吸力对巴东红土强度影响很大。土体强度随吸力增大而呈非线性增长; 而基质吸力随着含水量增大而减小,即巴东组非饱和红土强度特性随土体含水量增大而变差。最后拟合出巴东非饱和红土的经验抗剪强度公式。研究成果对该区域工程实践具有一定的参考意义。     

非饱和土本构模型在预测地表沉降中的应用

地下水位降低将导致非饱和土体中净平均应力和基质吸力发生变化,从而引起土体体积变化。利用GDS非饱和土三轴仪,研究了重塑非饱和黏土在干燥过程中试样含水率变化和总体积变化。针对某一典型基坑,运用大型有限元软件ABAQUS模拟了井点降水而形成的二维饱和-非饱和稳态渗流。饱和土区域和非饱和土区域沉降变形有着本质的区别,基于试验和数值模拟结果,根据Fredlund非饱和土弹性体变本构模型和饱和土有效应力原理,分别估算了饱和土区和非饱和土区沉降变形量。结果表明,在总沉降量中非饱和土区的沉降量是不可忽略的。随着降水深度的增大,非饱和土区域沉降量在总沉降量中所占比例将逐渐增大。     

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。     

非饱和土一维固结混合流体方法的解析分析

对采用混合可压缩流体方法分析非饱和土一维固结问题的固结方程进行了求解,在得到的解析解的基础上,对影响非饱和土一维固结的因素进行了分析。分析结果表明,在采用混合流体方法计算非饱和土一维固结的孔隙水压力时,所用公式与计算饱和土一维固结的太沙基理论公式基本相同,不同之处在于引入Bishop有效应力系数来体现孔隙气对孔隙水的影响。而在非饱和土孔隙气压的计算公式中除了体现孔隙水对孔隙气的影响参数以外,还有体现孔隙气体的可压缩性对固结影响的参数。在所有影响因素中,影响非饱和土一维固结最重要的因素是孔隙流体的渗流路径。     

非饱和土抗剪强度及土压力统一解

基于统一强度理论和非饱和土双应力状态变量抗剪强度,合理考虑中间主应力效应,建立了非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,并与文献试验结果进行比较,验证了公式的正确性;进而考虑基质吸力的不同分布,得到非饱和土主动土压力和被动土压力统一解,克服了朗肯土压力的不足,并得出中间主应力和基质吸力对土压力的影响特性。研究结果表明,主动土压力随着统一强度理论参数和基质吸力的增大而不断减小,被动土压力则相反;当基质吸力沿深度线性减小时,主动土压力和被动土压力都不像基质吸力沿深度为常数时变化得那么快。该结果为非饱和土抗剪强度和土压力分析提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。