降雨条件下非饱和土坡三相流模型的渗流-变形耦合分析

土质边坡降雨入渗的过程中伴随着地下水渗流的推进、孔隙气体迁移和边坡土体变形,因而涉及非饱和土体固-液-气三相耦合的作用.首先基于非饱和土力学基本理论、土-水特征曲线模型,在考虑气相对降雨入渗过程的影响下,建立了考虑孔隙介质可压缩性的二维非饱和土坡固-液-气三相渗流-变形耦合控制方程组.然后利用COMSOL Multip...     

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.     

台州某填埋场覆盖层粉质黏土的土-水特征曲线研究

目的得到台州市某垃圾填埋场覆盖层粉质黏土的土-水特征曲线,通过土-水特征曲线对该覆盖层的防渗性进行研究,在此基础上对影响覆盖层防渗性的因素进行分析.方法采用蒸汽平衡法研究相同干密度土样在20℃、40℃、60℃条件下的吸力,并分别对稳定后土样的含水率、饱和度以及孔隙比进行测定,分别绘制S-ω曲线、S-Sr曲线及S-e曲线来表征土样的土-水特征曲线.结果在S-ω曲线及S-Sr曲线中,脱湿曲线位于吸湿曲线上方,在低温及低吸力环境下曲线中脱湿曲线与吸湿曲线间的滞回现象明显;在S-e曲线中,吸湿曲线位于脱湿曲线上方,且温度对于土样孔隙比的影响不大.结论温度与吸力将会对覆盖层粉质黏土的持水能力产生影响,吸力会对覆盖层内部的孔隙分布产生影响,而土样的持水能力及孔隙分布将会影响到覆盖层材料的防渗性,所得结论可以为填埋场生物覆盖屏障的设计提供参考.     

降雨条件下成层土质边坡的渗流特征

以东南沿海地区广泛分布的坡积土-强风化岩成层边坡为背景,基于饱和-非饱和渗流理论,通过一维、二维成层边坡有限元渗流计算,得到在不同降雨条件下坡积土层厚度对含水率、孔隙水压力沿高程分布的影响规律,以及坡积土层厚度、边坡坡比对二维边坡不同截面的降雨入渗深度的影响。研究结果表明:降雨入渗深度与坡积土层厚度成正比,且坡积土厚度对含水率的影响程度与降雨强度有关;降雨强度与边坡土层饱和渗透系数的关系决定孔隙水压力的分布特征;坡积土层越厚,其各个截面的降雨入渗深度越大,而且边坡坡比越大,其底部截面的降雨入渗深度越大,边坡上部及中部截面受坡比影响较小;边坡土层结构对其在降雨作用下的含水率分布变化影响显著。     

降雨条件下边坡地下水运动规律

为了研究降雨对边坡渗流场孔隙水压力分布的影响,根据岩土饱和-非饱和渗流理论,利用SEEP渗流有限元程序计算给定降雨条件下孔隙水压力的分布,结合一个土坡算例,探求降雨强度、降雨持时以及土壤渗透系数等参数变化对渗流场的影响。通过记录坡肩处孔隙水压力变化,得到不同降雨类型下雨水入渗深度的规律;并记录下坡体内孔隙水压力随时间的变化规律,得到持续降雨条件下不同时刻坡体内孔隙水压力分布特点,可以为边坡的稳定性分析和滑坡预测提供依据。     

降雨入渗对尾矿坝稳定性的影响

通过对某尾矿坝进行ABAQUS二维建模,运用了修正Mohr-Coulomb破坏准则建立了在降雨入渗条件下坝体的非饱和土流固耦合有限元计算模型;通过采用合适的土-水特征曲线得到了非饱和边坡变形与应力的若干模拟结果并与实测结果进行对比分析。研究成果为继续研究尾矿坝在降雨入渗条件下的稳定性分析提供了基础。     

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．     

库水位变动条件下土-水特征曲线对滑坡稳定性计算结果的影响研究

库区滑坡的稳定性受库水涨落影响较大,为了分析库水位变动对滑坡稳定的影响,基于非饱和理论的有限元软件进行数值模拟,并需要用到非饱和土的相关参数,特别是土水特征曲线对滑坡稳定性的计算结果影响较大.文中一个实际算例采用不同土-水特征曲线时,计算所得结果相差较大,为了探究土-水特征曲线对滑坡影响的大小及原因,计算了当滑坡土体饱和含水量、饱和渗透系数相同时,3种典型土的土-水特征曲线所对应的稳定性系数,并得到以下结论:库水的升降作用对非饱和土质滑坡的稳定性有较大影响;由黏性土质滑坡的土体特性及计算说明表明:黏性土质滑坡在库水位变动作用下较粉土及砂土滑坡稳定,土-水特征曲线对考虑非饱和特性的滑坡安全系数影响较大,即同一含水率条件下基质吸力越大的土体滑坡的稳定性越好.     

降雨条件下考虑非饱和渗流的黄土滑坡灾变分析

采用滤纸法测试,并根据SWCC理论模型Van Genuchten方程拟合,得到非饱和土-水特征曲线,同时根据Van Genuchten统计传导模型估计渗透系数曲线.针对降雨诱发型黄土滑坡,建立边坡二维分析模型,以Mohr-Coulomb准则作为滑坡破坏依据,以非饱和土渗流理论为依托,进行渗流分析和稳定性分析.通过分析降雨不同持时坡体内部孔隙水压力的变化规律,揭示降雨入渗机理.结果表明,随降雨时长增加,滑坡土体由非饱和状态向饱和状态过渡,坡体孔隙水压力不断增加,水位线不断向上抬升.稳定性分析结果表明,降雨持续时间越长,滑坡稳定系数越低,降雨开始前滑坡稳定系数为1.005,滑坡处于蠕动变形阶段,与现状滑坡体上裂缝发生发展相符合;雨强120 mm/d持续降雨48 h时稳定系数为0.978,滑坡为不稳定状态;降雨持续2.5 h时,滑坡由欠稳定状态转为不稳定状态,由蠕动变形阶段进入滑动阶段,反映了滑坡稳定状态对降雨极为敏感.     

非均质饱和-非饱和土的变形特性

利用饱和-非饱和多孔弹性介质控制方程建立有限元计算模型,考虑弹性模量随深度增加及其在水平方向的变化,分析了非饱和土中超静孔隙水压力消散和土体的变形特性.通过与相关文献结果对比可验证文中采用的计算模型的正确性.研究结果表明：土体的非均质性对超静孔隙水压力的消散和土体的变形均有显著影响;弹性模量沿深度方向变化率越大,非饱和土体吸收的压力越多,导致超静孔隙水压力消散得越快,并且初期变形阶段和固结完成后,土体的变形幅度减小.     

降雨条件下含大孔隙土柱水-气两相流试验

为揭示降雨条件下含大孔隙土中水—气两相流运移机制,基于室内人工降雨试验,通过自行设计试验装置并借助各类试验设备,对不同工况下大孔隙和基质域的含水率、孔隙水压力、孔隙气压力分别进行实时监测.结果表明：大孔隙的存在可明显加快水分入渗速率,使土柱湿润锋呈现漏斗状,大孔隙附近水分入渗速率明显较快(即产生优先流),但是降雨需持续一定时间才会产生优先流;模型箱底部边界开通有利于气体的排出,可降低孔隙气压力,从而更有利于水分的入渗;大孔隙存在情况下,增加降雨强度可加快优先流的产生,使水分更快地沿着大孔隙入渗至土壤深层,并沿着大孔隙壁向周围基质扩散.此外当降雨强度大于水分入渗速度时,会在土体表面形成积水,一定程度上增加孔隙气压力.     

降雨条件下多层土坡入渗机理与稳定性分析

基于VG(Van Genuchten)模型多层土含水率方程,建立了考虑边坡倾角的含水率与基质吸力控制方程,提出了土层间渗透系数比不同的情况下多层土坡入渗深度计算方法.通过在Geo-Studio软件中的Seep/w板块建立多层土的一维和二维模型,分析雨水入渗过程中土层交界面处饱和滞水区形成过程及不同降雨条件下多层土坡稳定性变化规律,并验证本文计算方法的正确性.结果表明:多层土坡降雨过程中,土层交界面处体积含水率、孔隙水压力变化范围较大,对于各层渗透性不同的多层土坡,在同一降雨强度下,渗透系数比越大,则交界面处滞水向下消散的速率折减得越多,交界面处孔隙水压力变化范围越大;多层土坡在交界面处出现饱和滞水区后孔隙水压力急增,导致土抗剪强度骤降,进而引发土坡稳定性系数大范围下滑.上述结论为降雨边坡预警工作提供参考依据.     

降雨条件下城墙土水特性与稳定性研究

降雨入渗会影响城墙稳定性，最终导致城墙失稳坍塌。文中以城墙为研究对象，通过试验得到了土体的物理力学特性和非饱和特性，以试验数据为基础得到了以含水率为变量的抗剪强度公式，基于Bishop法得到安全系数的表达式。对不同工况下城墙边坡进行渗流场有限元分析与稳定性评价，并对梅雨季城墙稳定性变化及孔隙水压力分布进行分析。结果表明，随着降雨的不断进行，孔隙水压力逐渐增大，表层土体开始饱和，前期入渗深度不断增加，后期地下水位上升。梅雨季城墙稳定性持续下降，受降雨总量和降雨时长影响较大。研究成果可为区域典型气候条件下的该地区城墙修缮等工程的设计与施工提供理论参考。     

退化两相Stefan动边界控制及其在非饱和土入渗中应用

结合孔隙水和孔隙气体在气液交界面上的力学条件,给出了一个退化的两相Stefan问题的最优控制模型;以交界面上的动边界为控制变量,描述了非饱和土中孔隙水的入渗和孔隙气体的排出过程,为水流入渗问题的求解提供了一种新的方法.数值结果表明,对导气率不同的土类,孔隙气体的排出过程对孔隙水入渗运动有不同的影响,对导气率低的土类影响很大,且不可忽略.     

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.     

降雨对花岗岩残积土边坡孔压及稳定性影响

针对一个花岗岩残积土边坡的简化模型,基于非饱和渗流理论和Bishop条分法,利用Geo-Studio软件,对4种不同降雨模式下的边坡孔隙水压力和稳定安全系数进行计算与分析,得到主要结论:(1)降雨入渗对花岗岩残积土边坡的中上部有较显著的不利影响;(2)不同降雨模式对花岗岩残积土边坡的影响时效差异较大,前峰型和均布型、中峰型、后峰型降雨的最不利影响时刻分别在降雨后1.0~1.5d、1.5~2.0d、2.5~3.5d;(3)降雨入渗引起的花岗岩残积土边坡失稳形式,极可能是从坡体中部诱发的浅层滑坡。     

降雨-蒸发作用下膨胀土边坡的非饱和渗流分析

针对非饱和膨胀土边坡问题,考虑降雨、地表水入渗、地下水径流、地表蒸发、植被蒸腾等因素的作用,运用二维非饱和渗流模型求解不同气候条件下膨胀土边坡孔压、体积含水量的变化情况,通过分析得到如下结论:①持续降雨后,坡体内吸力减小,其中坡脚处的孔压最先达到正值,其次是坡中,最后是坡顶,因此持续降雨可扩大饱和区的范围,使边坡安全度降低;②坡脚、坡中及坡顶处体积含水量的差异除与土体孔压相关外,还与土体的水分特征曲线参数相关;③降雨-蒸发的干湿循环促使膨胀土滑坡内部土体的孔压、含水量的变化,从而形成裂隙,减小强度,降低边坡的安全度.     

考虑二维降雨入渗的非饱和土边坡稳定性分析

以非饱和土边坡体积含水率为控制变量,基于非饱和土水分运移基本方程建立了二维降雨入渗计算模型,并编制了计算程序.充分考虑降雨中的水平和垂直入渗及降雨过程中土体入渗能力的变化,建立了可考虑体积含水率变化的非饱和土边坡稳定性分析模型,实现了边坡稳定性的实时分析,并可搜索最危险滑裂面.通过具体工程案例的分析可知,边坡中的体积含水率与边坡的稳定性有密切的关系,其中边坡初始含水率影响最大,而降雨强度则较小.降雨对浅层边坡稳定性影响较大,随着降雨时间的增加,含水率由浅到深逐渐减小,而最危险滑裂面则逐渐向浅层移动.