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。     

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.     

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.     

考虑饱和-非饱和渗流作用的土质边坡稳定性分析

饱和-非饱和土的研究一直是岩土工程界的一个热点问题。土体中孔隙水压力的存在使得对岩土体的力学性状的分析变得更加复杂化。基于土体渗透系数与基质吸力之间的相互联系,对理想的各向同性土的水库堤坝进行了非稳定渗流场的数值模拟,得出不同水位、同一水位因不同骤升速率而产生的渗流场的变化规律,并对土体固-液耦合研究进行了初步探讨。把堤坝渗流场的动态变化在时间和空间上进行离散,分别引入到坝坡稳定性的分析中,以极限平衡原理和Morgenstern-Price条分法为基础对坝坡产生滑移的最小安全系数变化规律进行了分析,从而得出渗流-滑坡的内在联系。     

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。     

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。     

边坡渗流耦合变形分析方法的研究及其应用

边坡在渗流作用下应力场会发生变化,是渗流场耦合应力场的作用结果。给出了一种考虑饱和-非饱和流渗影响的边坡弹塑性有限元分析方法,采用了不同含水量对抗剪强度影响的模型,求解带有渗透力作用项的土体弹塑性平衡方程得到边坡的应力应变分布,并应用于某滑坡的实际降雨分析。该实例分析证实,由于渗流作用影响,边坡变形加大,最后形成潜在滑动面。利用渗流耦合变形的弹塑性有限元法分析大气降雨造成土体滑坡的变形和发展是可行的,其在实际工程中的应用是成功的。     

状态方程法在渗流-应力耦合场求解中的应用

提出了一种计算土体渗流-应力耦合场的状态方程法。按平面应变问题,将描述渗流-应力耦合的平面固结方程进行空间离散,并用状态方程表示了有限元控制方程。利用牛顿-柯特斯公式,导出了当前时间步节点位移向量与前一时间步位移向量之间关系的递推公式。算例表明：状态方程法解决土体渗流-应力耦合问题与传统差分法相比的优势在于用较少的机时即可得到较为精确的解。     

热-水-应力耦合条件下三项因素对核素迁移影响的有限元分析

目前在放射性核素随地下水迁移的研究中还很少涉及温度场和应力场的影响。针对这一问题,引入渗透迁移方程,将所开发的饱和-非饱和孔隙介质中热-水-应力耦合弹塑性模型及其二维有限元程序进行了扩展和改进,使之可以同步地对温度场、渗流场、应力场和放射性核素浓度场的变化进行解析。对一个假想的核废料处置库算例,通过分别改变影响地下水中核素迁移的3个因素：渗透系数、分配系数和分子扩散系数,考察了在热-水-应力-迁移耦合作用条件下近场放射性核素浓度的分布及变化,从而认识到：当缓冲层的渗透系数小到一定程度后,缓冲层中核素迁移基本不再受渗流场的影响;缓冲层分配系数越小,分子扩散系数越大,核素迁移越快。     

雾雨作用下大岩淌滑坡非饱和渗流场数值模拟

泄洪雾雨对滑坡渗流场的影响涉及到雾雨强度的确定、雾雨产生坡面径流及坡体饱和-非饱和渗流分析等一系列复杂问题。文章利用模糊综合评判方法确定了水布垭大岩淌滑坡的雾雨强度;通过试验确定了滑坡土体的土水特征曲线;利用坡面径流-非饱和渗流耦合数值模拟方法计算了在雾雨作用下滑坡体内渗流场变化规律。研究结果为雾雨作用下大岩淌滑坡的稳定性预测提供了渗流场条件,研究方法为雾雨或降雨作用下滑坡的非饱和渗流场数值模拟提供了一条新途径。     

核废料处置概念库近场热-水-应力耦合模型及数值分析

特别考虑了缓冲层中温度梯度水分扩散、水蒸汽扩散对水连续性及能量守恒的影响,进一步完善了所建立的分析饱和-非饱和介质中热-水-应力耦合现象的控制方程,并针对试验资料,使用所开发的有限元程序对一个核废料处置概念库近场的热-水-应力耦合过程进行了数值模拟,考察了缓冲层及岩体中若干点的温度、饱和度、孔隙水压力及主应力的变化、分布情况,并将部分结果与国外类似软件的计算数据作了对比,结果显示,在定性和定量上二者的规律有某种一致性,从而得出了一定的认识。     

亥废料处置概念库近场热-水-应力耦合模型及数值分析

特别考虑了缓冲层中温度梯度水分扩散、水蒸汽扩散对水连续性及能量守恒的影响，进一步完善了所建立的分析饱和-非饱和介质中热-水-应力耦合现象的控制方程，并针对试验资料，使用所开发的有限元程序对一个核废料处置概念库近场的热-水-应力耦合过程进行了数值模拟，考察了缓冲层及岩体中若干点的温度、饱和度、孔隙水压力及主应力的变化、分布情况，并将部分结果与国外类似软件的计算数据作了对比，结果显示，在定性和定量上二者的规律有某种一致性，从而得出了一定的认识。     

On the use of effective stress in three-dimensional hydro-mechanical coupled model

In the last decades, a number of hydro-mechanical elastoplastic constitutive models for unsaturated soils have been proposed. Those models couple the hydraulic and mechanical behaviour of unsaturated soils, and take into account the effects of the degree of saturation on the stress–strain behaviour and the effects of deformation on the soil–water characteristic response with a simple reversible part for the hysteresis. In addition, the influence of the suction on the stress–strain behaviour is considered. However, until now, few models predict the stress–strain and soil–water characteristic responses of unsaturated soils in a fully three-dimensional Finite Element code. This paper presents the predictions of an unsaturated soil model in a Three-dimensional Framework, and develops a study on the effect of partial saturation on the stability of shallow foundation resting on unsaturated silty soil. Qualitative predictions of the constitutive model show that incorporating a special formulation for the effective stress into an elastoplastic coupled hydro-mechanical model opens a full range of possibilities in modelling unsaturated soil behaviour.     

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.     

强风化花岗岩弹塑性本构模型研究(Ⅰ):理论模型及参数反演

厦门翔安隧道是国内修建的第一条海底隧道,其相关勘察、设计以及施工经验和工程总结材料将对国内其他海底隧道的建设具有十分重要的借鉴作用。与山岭隧道相比,需要解决的岩体力学与隧道工程结构设计等方面的问题不尽相同,存在不少现行规范未能涵盖而又亟待在设计中予以明确回答的问题。根据厦门翔安海底隧道风化槽强风化花岗岩的室内应力-渗流耦合试验成果,建立了强风化花岗岩的应变硬化的弹塑性模型和黏聚力演化方程,通过反演确定了模型的力学参数。研究表明,提出的应变硬化的弹塑性模型能合理地反映强风化花岗岩的力学特性,其成果具有很好的推广应用价值。     

A new analytical model to study the influence of weld on the vertical dynamic response of prestressed pipe pile

This investigation is concerned with the mathematical analysis of a viscoelastic prestressed pipe pile embedded in multilayered soil under vertical dynamic excitation. The pile surrounding soil is governed by the plane strain model, and the soil plug is assumed to be an additional mass connected to the pipe pile shaft by applying the distributed Voigt model. Meanwhile, the prestressed pipe pile is assumed to be a vertical, viscoelastic, and hollow cylinder governed by the one‐dimensional wave equation. Then, analytical solutions of the dynamic response of the pipe pile in the frequency domain are derived by means of the Laplace transform and impedance function transfer method. Subsequently, the corresponding quasi‐analytical solution in the time domain for the case of the prestressed pipe pile undergoing a vertical semi‐sinusoidal exciting force applied at the pile top is obtained by employing the inverse Fourier transform. Utilizing these solutions, selected results for the velocity admittance curve and the reflected wave curve are presented for different heights of the soil plug to examine the influence of weld properties on the vertical dynamic response of prestressed pipe pile. The reasonableness of the theoretical model is verified by comparing the calculated results based on the presented solutions with measured results. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

大位移条件下水平受荷单桩的简明弹塑性计算方法

软土地层中当桩顶水平荷载较大时,采用传统m法计算容易低估桩身弯矩与挠曲变形,有必要针对该问题提出相关计算方法。将地基土体简化为理想弹塑性体,假定桩身某一深度处存在土体的弹塑性变形临界点,临界点以上的土体进入塑性变形状态,而临界点以下的土体仍处于弹性变形状态,分段建立桩身挠曲微分控制方程,得到水平受荷单桩简明弹塑性计算方法。现场单桩实测和参数敏感性分析结果表明：采用简明弹塑性计算方法得到的桩身最大弯矩较传统m法计算精度提高38.1%;桩身最大水平位移计算精度提高22.3%;桩顶边界条件对桩身水平位移与弯矩沿桩身的分布规律影响显著;桩身最大弯矩和水平位移对土体的极限抗力系数及其形状参数较敏感,设计中宜按下限值选取。     

热-水-应力耦合弹塑性二维有限元程序的开发与应用尝试

从已有的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,使用Galerkin方法将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,初步开发出了一个用于分析饱和岩土介质中热-水-应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序,并通过2个算例进行了应用尝试。     

膨胀土边坡非饱和渗流及渐进性破坏耦合分析

膨胀土边坡受降雨影响产生膨胀变形,是典型的非饱和土多场耦合问题。为探究降雨入渗对其渐进性破坏的失稳过程,基于饱和-非饱和渗流理论、膨胀土弹塑性本构关系和应变软化理论,利用应变软化模型、FLAC3D二次开发平台和内置FISH语言,提出了一种综合考虑非饱和渗流、膨胀变形和应变软化的多场耦合数值分析法。结合工程实例,通过该方法探讨了降雨入渗条件下膨胀土边坡非饱和渗流、位移响应及渐进性破坏的变化规律。结果表明:膨胀变形和应变软化受控于非饱和渗流的时空分布,对边坡位移响应过程影响显著,也易导致饱和-非饱和分界带形成剪应力集中区。膨胀土边坡渐进性破坏由局部破坏转变为整体性失稳,其塑性破坏区首先随悬挂型暂态饱和区的变化向坡内扩展,雨后逐渐形成第二条由坡脚向坡顶扩展的滑动带,呈现出多重滑动性和后退牵引式的破坏特征。