降雨条件下土坡三相流耦合模型验证与分析

基于非饱和土力学的基本理论,建立了考虑孔隙介质可压缩性的二维非饱和土坡固-液-气三相耦合控制方程,利用COMSOL multiphysics软件的PDE平台,将所建立的耦合控制方程的数值模拟结果与经典Liakopoulos砂柱排水的试验结果进行比较,验证了所建立的三相耦合控制方程的正确性,并讨论不同因素对渗流场和位移场的影响.模拟结果表明:渗透率k_s对降雨渗流过程的推进起阻滞作用,同时延缓了非饱和土坡的变形,但影响较弱.进气值系数对非饱和土坡变形沉降的过程有一定影响,但总体影响也较弱.     

考虑气相作用的降雨入渗对非饱和土坡稳定性的影响

为了精细分析降雨入渗对非饱和土坡稳定性的影响,在考虑气相对降雨入渗过程的影响基础上,利用水-气二相流模型模拟入渗水流驱替土壤空气的水-气二相流过程,计算降雨入渗下土坡的孔隙水压力、孔隙气压力、基质吸力和含水量的变化;并建立了同时考虑由有效黏聚力、净法向应力,还有基质吸力引起的强度对边坡稳定的影响的非饱和土坡稳定分析模型．通过算例分析得出：无论是否考虑基质吸力的作用,由于降雨入渗改变了土体的净法向应力和土的容重,使得非饱和土坡的安全系数降低,而后的蒸发作用会使土坡的安全系数有所增大;在相同的渗流条件下,基质吸力的作用使同一滑动面上的安全系数增大．     

降雨条件下拓宽路堤稳定性数值分析

基于非饱和渗流理论,在有限差分软件FLAC3D渗流模块的基础上,采用内置FISH语言自编程序实现了降雨条件下拓宽路堤上饱和-非饱和渗流过程的模拟,进而分析了降雨入渗对拓宽路堤孔隙水压力和饱和度的影响,以及土工格栅加筋和填料渗透系数对降雨条件下拓宽路堤稳定性的影响.研究结果表明:降雨初期路堤土体基质吸力迅速降低,边坡最先达到饱和状态,形成暂态饱和区;考虑降雨入渗影响时,拓宽路堤安全系数明显减小,土工格栅加筋可有效减小降雨入渗对拓宽路堤稳定性的影响;新路堤填料渗透系数对降雨条件下拓宽路堤稳定性的影响较大,实际工程中应保证路堤填土的压实度并采取边坡防护措施以减小雨水入渗的影响.     

非饱和土质边坡降雨入渗分析

降雨入渗对边坡土体的力学行为具有重要的影响。为研究降雨入渗条件下边坡土体的位移应力变化规律,考虑基质吸力的影响,建立了非饱和渗流有限元模型,对降雨过程中边坡土体进行渗流应力耦合分析,得到了降雨过程中边坡的孔隙水压力、位移及应力的变化规律。结果表明降雨会使边坡上部土体有效应力显著降低,同时引起坡面附近土体的水平位移及边坡内部土体的沉降;降雨使坡脚处土体首先发生破坏,随着降雨的持续,土体的塑性应变不断增大。     

降雨入渗条件下边坡湿陷变形的数值模拟

降雨入渗是边坡发生失稳滑动破坏的主要因素之一为研究降雨入渗条件下边坡湿陷变形的基本特性,采用修正的巴萨罗那模型（BBM）和非饱和多孔介质力学理论,建立了基于弹垫性分析的非饱和流固耦合计算模型,开发相应的有限元程序,进行降雨入渗下非饱和土边坡渗流场和应力场耦合的数值分析,研究了降雨持时、降雨强度以及饱和渗透系数对边坡渗流和变形的影响．结果表明：该计算模型能够很好地反映边坡的湿陷变形特性,最大湿陷变形发生在坡面拐角及坡顶位置．降雨强度和土体饱和渗透系数的大小对边坡内孔压和位移影响显著：在降雨强度小于饱和渗透系数时,坡内孔压及位移随降雨强度的增大而增大;当饱和渗透系数小于且接近降雨强度时,坡内孔压和位移增量明显增大;而当饱和渗透系数远大于或小于降雨强度时,坡内孔压及位移变化量则较小．     

考虑土体开裂的膨胀土非饱和渗流分析

通过考虑与不考虑土体裂隙的对比研究，求解在给定入渗条件下的膨胀土边坡瞬态含水率分布和孔隙水压力分布，揭示了考虑裂隙影响的膨胀土边坡的渗流场变化规律，指出在降雨入渗条件下，必须考虑土体开裂的影响，才能得到符合实际情况的解答，并给出了裂隙对渗流场变化的影响途径。     

降雨入渗条件下路堑边坡稳定性

分析了降雨入渗对路堑边坡稳定性的影响机理和特性,以非饱和渗流理论为基础,建立了入渗条件下的流-固耦合数学模型及SWCC模型模型,并根据现场土质特性对广东某环城高速公路堑边坡在不同降雨强度下的坡内水压力和流速分布进行了预测,并计算得到了降雨入渗后的安全系数.结果表明:随着土体含水率增加,内摩擦角和粘聚力下降导致抗剪强度急剧下降,是边坡失稳的根本原因; 随着降雨强度的增大,最小安全系数不断减小.     

考虑降雨入渗的非饱和土边坡流固耦合数值分析

针对降雨入渗作用下非饱和土边坡的变形和稳定问题,运用ABAQUS有限元软件,建立二维非饱和土边坡流固耦合数值模型,对边坡渗流场、应力场和位移场进行分析,分析降雨入渗后边坡的孔压、饱和度、位移、塑性区扩展和安全系数的变化规律.结果表明:降雨入渗引起边坡孔压、饱和度、等效应力和位移增大,降雨强度减小和无降雨下,边坡孔压、饱和度、等效应力和位移减小回弹,边坡表层响应早于坡体内部;边坡坡脚最先出现塑性区,塑性区沿坡面浅层向上扩展,形成连续的塑性区贯通面;边坡安全系数在持续强降雨下持续减小,降雨强度减小和无降雨下,边坡安全系数增大回弹.研究结果可为非饱和土边坡的变形与稳定分析提供参考.     

降雨条件下边坡稳定性分析

把降雨入渗条件下的边坡稳定性问题转化饱和-非饱和渗流问题的应力场和渗流场来计算,考虑在降雨入渗过程中滑动面抗剪强度的影响,研究降雨入渗过程对边坡的安全系数的影响.应用瞬态的饱和-非饱和二维有限元渗流模型,对降雨条件下的边坡的稳定性进行了模拟,模拟的数值计算结果表明,在降雨入渗过程中,边坡的安全系数在不断减小.     

持续强降雨引发水位耦合变化条件下堤防渗流及稳定性分析

针对江、河、湖泊土质堤防工程在持续强降雨下会导致堤前水位显著变化而可能引发堤防安全隐患,采用水-气二相非饱和渗流模型对堤防进行降雨入渗和堤前水位变化耦合条件下的饱和-非饱和渗流分析。分别开展降雨入渗、堤前水位上升及持续强降雨耦合堤前水位上升过程的非稳定渗流有限元仿真分析。在此基础上对堤坡进行抗滑稳定分析,同时考察堤前水位变化及降雨过程中气相和基质吸力对堤坡稳定性的影响。计算结果表明:与单纯的降雨和水位上升相比,降雨耦合堤前水位上升会使堤身渗流及堤坡抗滑稳定性呈现较复杂的变化特性;考虑气相和基质吸力在一定程度上对堤坡稳定分析结果有利。     

水-气耦合下的土质边坡稳定系数场分析

传统边坡稳定性分析方法仅对潜在滑动面进行整体稳定性评估,无法获取各点的安全系数,为了准确分析边坡稳定性,基于稳定系数场理论,综合考虑水-气耦合作用对降雨条件下边坡稳定性进行分析。结果表明：1）稳定系数场法能够直观地体现水-气耦合作用下边坡的具体破坏区域,得到各点的安全系数;2）孔隙气压力对边坡降雨入渗有一定阻碍作用,并且随降雨时间的推移阻渗效果愈明显,相同条件下降雨40 h时,两相流湿润锋深度较单向流减小了28.6%;3）相同条件下,考虑水-气耦合作用会降低边坡稳定性,以降雨40 h为例,两相流边坡失稳面积约为单向流的1.7倍。因此,在实际工程中对边坡稳定性分析时应考虑水-气耦合作用,工程偏于安全。     

降雨入渗对边坡稳定性的影响研究

为了研究西藏林芝特有土质边坡在降雨入渗条件下的稳定性,在饱和-非饱和土理论的基础上,利用有限元软件对边坡在发生降雨入渗后土体的孔隙水压力和变形两个方面进行研究.通过数值模拟结果可知,发生降雨后边坡的孔隙水压力与降雨前相比有所上升,并且随着降雨历时的增加,孔隙水压力的影响深度也在持续增加,但在15 m以下的土体中,孔隙水压力随雨水入渗的变化相对较小,说明达到一定的深度后降雨对土体的抗剪强度影响较小;另一方面,雨水的入渗导致了边坡在水平和竖直两个方向的变形,变形的形式主要表现为坡顶的向下沉陷和坡脚处向外侧的移动,并且随着降雨时间的增长变形在不断地增加,导致边坡存在发生滑动变形的趋势.     

非饱和参数交互作用的边坡稳定性分析

为研究降雨入渗条件下的边坡稳定性,提出一种基于流固耦合理论及非饱和渗流参数敏感性分析的边坡稳定性分析方法.边坡的非饱和参数交互作用影响边坡稳定,为此,建立基于有限元方法的边坡非饱和渗流的边坡稳定性分析模型.构建了边坡稳定性分析参数敏感性分析模型,分析了非饱和参数对边坡稳定特征的直接作用和耦合交互作用.结果表明:降雨入渗时的非饱和参数共同作用下,降雨强度和渗透系数对边坡稳定性孔压及饱和度特征的直接影响和间接影响较内摩擦角和黏聚力更为明显.降雨强度对特征单元位移直接影响最大,内摩擦角与其他参数的耦合作用最显著.黏聚力对边坡稳定的直接影响最大,且对塑性变形作用时与内摩擦角、降雨强度及饱和渗透系数的耦合最为紧密.非饱和参数共同变化时,交互作用不是单项参数的作用效果直接叠加.     

降雨入渗对深层滑坡稳定性影响研究

采用有限元方法和极限平衡法建立了边坡渗流与稳定性分析耦合模型,合理考虑了降雨入渗引起的边坡重力场和孔隙水压力场的变化,以及土体的软化现象．运用该模型,对重庆万州农机技校滑坡体丰雨年雨季渗流场及稳定性进行实例分析,探讨了降雨对滑坡体渗流场及稳定性的影响．结果表明当降雨入渗引起坡体渗流场显著变化,特别是引起大范围的孔隙水压力升高时,最容易导致深层滑坡失稳．     

考虑吸湿和脱湿影响的一维降雨入渗数值模拟

在分析非饱和渗流时,土水特征曲线(SWCC)起着至关重要的作用.吸湿和脱湿条件下的土水特征曲线存在显著的滞后现象,对降雨入渗土体中孔隙水压力的分布有明显影响.采用两种计算模型,运用吸湿和脱湿条件下的土水特征曲线,对一维降雨入渗土体非饱和-饱和-非饱和全过程进行数值模拟,对比分析了计算模型以及吸湿和脱湿,对降雨入渗过程中土体的孔隙水压力分布的影响.     

降雨入渗条件下驳岸稳定性分析

降雨入渗是影响内河驳岸稳定性的一个重要因素。以福州晋安河驳岸为研究对象,通过建立非饱和渗流计算模型,研究了降雨入渗对驳岸挡土墙后土体孔隙水压力、应力、位移及塑性屈服区的影响,并结合强度折减法,定量分析了降雨入渗对驳岸岸坡稳定性的影响。研究结果表明:由于降雨入渗的影响,驳岸由基本稳定状态变为潜在不稳定状态;驳岸土体容重增加、土体基质吸力区减小和有效强度降低是造成驳岸附加变形及稳定性降低的主要原因;降雨入渗条件下驳岸的破坏规律与未考虑降雨影响时基本一致。     

降雨条件下边坡各向异性渗流及稳定性的模拟分析

基于饱和-非饱和渗流理论,针对不同的渗透系数异向性比值,以及不同的渗透系数张量主轴方向与水平方向夹角,对降雨条件下边坡地下水渗流场动态变化进行了数值模拟,分析了降雨过程中边坡孔隙水压力分布规律,得到了边坡安全系数随降雨持续时间的变化规律.数值模拟结果表明,土体各向异性渗流对降雨条件下边坡渗流场及安全系数有着显著的影响.     

基于降雨入渗试验的黄土边坡稳定性研究

降雨入渗是黄土地区边坡失稳破坏的最主要诱发因素,选取陕西关中地区典型黄土边坡为研究对象进行人工降雨试验,分析了黄土边坡降雨入渗规律及边坡破坏机理,并采用有限元软件对降雨入渗作用下孔隙水压力、最大剪应力以及稳定性进行了数值模拟.试验结果表明,边坡土体的渗透系数与孔隙水压力呈指数函数关系,边坡土体的含水率与孔隙水压力呈移动平均函数关系,坡体垂直入渗深度比水平入渗深度要高,且入渗速率也存在差异.同时,边坡稳定性数值分析表明,随着降雨历时增长,坡体安全系数逐渐降低直至发生失稳.     

热-流-固耦合非饱和渗流的物理描述和数学模型

研究了热-流-固耦合非饱和渗流的物理和数学模型.其中非饱和渗流部分考虑到水的蒸发-凝结这种相变过程,这是气液两相渗流.液相中含有溶解的空气,气相中含有空气和水蒸气,蒸汽在空气中作扩散运动.基于线化的湿-热弹性理论,建立了热-流-固耦合的本构方程、水和气体的渗流微分方程,以及能量方程.该完整的方程组可很容易推广到热-流-固耦合油-气-水多相渗流情形.     

降雨诱发双层土坡地下水上升及稳定性分析

降雨入渗使土坡坡体内孔隙水压力增加,水位上升而导致边坡稳定性下降。建立两种双层土坡模型,分别研究在暴雨、大雨和小雨三种情况下坡体内孔隙水压力变化规律;同时分析降雨引起地下水上涨的运动特性及土坡稳定性变化。研究结果表明:不同类型土质边坡在降雨情况下土体孔隙水压力变化规律是不一样的,雨水入渗的深度也不同;降雨过程中,上层为低饱和渗透性土体下层为高饱和渗透性土体的边坡接触面上孔隙水压力比临近土体的孔隙水压力大,这不同于均质边坡。降雨情况下,土体性质和降雨特性对地下水上涨的运动规律和边坡稳定性有重要的影响。