基于差分法及试验联合确定非饱和土渗透系数的方法

非饱和土渗透系数是随体积含水量变化的一个复杂变量,难于通过试验直接获取,实际工程中主要采用经验公式,难免与实际存在不符.提出了基于一维垂直渗流控制方程差分求解及非饱和渗透性试验联合确定非饱和土渗透系数的新方法.首先利用有限差分法对一维垂直渗流控制方程进行离散,获得基于差分格式的非饱和土渗透系数表达式;然后通过试验获得土样饱和渗透系数、土水特征曲线以及不同位置处体积含水量随时间变化的关系曲线,通过Matlab编程将以上各参数代入离散后的差分格式,即可得到非饱和土渗透系数随含水量的变化值.将该方法得到的渗透系数与VG模型求出的渗透系数进行对比,两者误差较小,说明本文提出的确定非饱和土渗透系数的新方法具有一定的可靠性.     

三种模型在浙江省土石坝填筑土土水特征曲线中适用性研究

土石坝是由饱和与非饱和渗流区组成的统一体,渗流问题是影响土石坝运行安全的关键因素之一.土水特征曲线(SWCC)是非饱和渗流数值模拟的重要基础.浙江省土石坝众多,对其填筑土持水性研究具有重要意义.确定一个合适的模型来描述填筑土的SWCC是研究的基础.通过压力板仪,对3种浙江省土石坝典型填筑土进行持水试验,选取VG、FX和MX模型对试验数据进行拟合,并对拟合结果进行分析.结果表明,VG模型并不适用于土石坝填筑土,FX和MK模型均取得了较好的效果,FX模型在适用性和普遍性上更好.     

非饱和土弹塑性模型在土坝蓄水变形中的应用

对非饱和土弹塑性模型（BBM）进行了总结,推导出弹塑性矩阵,采用Galerkin加权余量法以及向后欧拉法对控制方程进行空间域和时间域上的离散,编制了用于分析非饱和土水一应力耦合问题的非线性有限元程序．采用该本构模型,对一均质堤坝在蓄水之后的流固耦合问题进行了有限元分析,结果表明堤坝内的渗流和变形的分布符合规律．     

临淮岗洪水控制工程土坝非饱和水运动参数实验研究

结合淮河临淮岗洪水控制工程,从土坝C料场取样,分别进行了粉质壤土的非饱和持水特征曲线和非饱和导水率实验,获取了θ-h,k-h的关系曲线.从经典的K-C方程出发,推导提出一个了新的非饱和水运动函数表达式,利用θ-h,k-h实验结果,对BC模型、VG模型及本文模型描述水分运动参数进行了较全面的分析.本文模型具有参数较少,结构更简洁,使用方便的较显著优点.     

基于流固耦合特性的非饱和膨胀土变形仿真计算

在考虑膨胀土的非饱和土特性基础上,基于有效应力原理的单变量理论推导非饱和膨胀士弹塑性本构模型,选用适用的土-水特征曲线方程和非饱和土渗透系数方程,根据流崮耦合力学的理论与方法,将膨胀土吸水膨胀或失水收缩过程视为一个动态耦合作用过程,建立渗流-变形耦合分析模型.该模型考虑流固耦合作用引起的孔隙比和渗透系数变化(包括有效应力的影响),并根据边界孔隙水压(或基质吸力)的变化模拟膨胀土体的吸水和失水过程.通过对膨胀土样室内有荷膨胀试验的渗流、变形过程的仿真模拟验证仿真计算模型的有效性和正确性.研究结果表明:采用该仿真计算模型对膨胀土的变形(膨胀或收缩)进行计算和预测可取得较好结果.     

基于失稳模量理论的降雨条件下非饱和边坡流滑 与滑移失稳机理研究

基于经典塑性理论,利用失稳模量（HIN）的概念建立了非饱和土的渗流稳定性准则;针对非饱和土边坡常出现的失稳形式（即有限滑移失稳和快速流动失稳）,通过引入考虑基质吸力依赖性的弹塑性本构模型,给出了识别边坡不同失稳模式的HIN表达式;对于具有潜在液化能力的松散火山灰土给出了理论模型参数的标定方式;在此基础上,预测了火山灰土边坡出现的失稳模式以及相应的失稳含水率,通过与室内水槽试验结果对比验证了理论模型的正确性和合理性,结果显示,结合无限边坡模型与失稳模量理论可进一步推导出不同失稳模式下的边坡安全系数表达式,二者互为验证;最后,通过参数分析研究了各模型参数对边坡在不同边界条件下失稳模式的影响. 研究结果可进一步明晰降雨条件下非饱和土边坡出现不同失稳模式的内在机理,以便为渗流边坡稳定性的评估与设计提供相应的指导.     

径向基函数配点法求解边坡降雨瞬态渗流问题

根据土壤水分特征曲线Gardner模式推导线性化非饱和渗流Richard方程,应用无网格法中的多元二次径向基底函数配点法对空间域进行离散,利用龙格库塔法对时间域进行离散. 通过离散点满足控制方程式与边界条件,建立求解非饱和渗流问题的数值模型. 考虑土层组合以及降雨强度,计算分析非饱和无限边坡降雨入渗的瞬态渗流场的变化情况,得到边坡内不同时刻、不同深度的孔隙水压力. 其数值计算结果与解析解相符,较有效地解决了传统数值方法在模拟非饱和土渗流产生的数值病态问题.     

基于SFG模型的非饱和沉积土本构模型

为使修正后的模型能够更好地反映非饱和沉积土的持水和力学性质,对SFG (ShengFredlund-Gens)模型进行修正.用平均骨架应力代替净应力作应力状态变量,考虑饱和度对非饱和土变形的影响.通过分析泥浆固结土(沉积土)在等吸力条件下等向压缩和三轴压缩试验数据,得出饱和度和孔隙比的关系,并把变形考虑到持水曲线模型中.由修正后的体变方程以及持水曲线方程推导出加载湿陷屈服面方程,在修正剑桥模型基础上推导出三轴应力状态下的本构方程,并采用能统一描述剪缩剪胀性的硬化参数.基于同一模型参数,模型可以统一预测吸力控制下各向等压和三轴剪切路径下非饱和沉积土的持水和力学特性.     

降雨诱发非饱和土地下水位上涨的耦合效应

降雨容易诱发地下水位上涨,从而引发多种危害.降雨诱发土体变形与渗流耦合,目前的研究多集中在土体耦合各场的变化规律,对土体水力耦合过程地下水位变化规律及影响因素研究较少.基于渗流理论、弹性理论及VG土-水特征曲线模型,建立了二维非饱土体的水力耦合的数值模型,从水力耦合的角度去研究降雨诱发地下水位上涨.该模型突破了饱和时的渗透系数是常量的局限,且适用于任意的土-水特征曲线表达式.通过算例对二维非饱和土渗流-变形耦合模型展开分析,并深入探讨了地下水位升高的耦合效应.计算结果表明:降雨强度、初始条件以及饱和渗透系数为变量等因素对地下水位上涨有显著的影响;位移最大值出现在地下水位以上,地下水位以下位移变化梯度相对较大.     

黄土水分入渗规律的数值模拟研究

运用数值模拟手段研究地表入渗作用下土水特征曲线(SWCC)参数与边界条件对入渗结果的影响,以探究黄土中水分入渗的规律。使用HYDRUS-1D软件建立土柱试验数值模型,使用控制变量法,逐一改变SWCC参数(VG模型参数)与边界条件以探究其各自对模拟结果的影响。模拟结果显示:入渗速率、特定时间节点的入渗深度与饱和渗透系数k_s成正比,与饱和含水率θ_s成反比,与VG模型参数α成反比,与VG模型参数n成正比,与残余含水率θ_r几乎没有关系,与入渗边界的水头高度呈正比。研究结果表明,饱和渗透系数k_s是非饱和渗流的重要影响因素,饱和渗透系数较大,代表土体更松散,导水能力更好。提高模型饱和含水率θ_s会使入渗速率下降,入渗深度变浅,这是因为提高饱和含水率影响了土体中初始水分的分布,水分在土体中形成的连续性通道变少。残余含水率与土体中自由水的运移无关,因而对土体中的水分渗流没有影响。SWCC参数α、m、n的大小与土体孔隙结构、颗粒组成有关,改变SWCC参数会使土的渗流特性发生改变。上部水头增大会使渗流加快,但在超出土体饱和渗流能力的情况下,增大上部边界水头对渗流影响很小。     

关于非饱和渗透理论中的几项基本问题的剖析

从基质吸力和水分特征曲线、非饱和渗透系数、非均匀流渗透机理、非饱和带中水气二相渗流四个方面评述了国内外有关非饱和渗透理论的研究成果,探讨了目前存在的问题和研究方向,并介绍了一种自研制的间接测量非饱和砂土基质吸力的方法.     

宝鸡地区非饱和黄土水力参数试验研究

我国黄土分布广泛,且多处于非饱和状态,土-水特征曲线和渗透系数函数是研究非饱和黄土工程地质特性的重要水力参数。利用瞬时释放和吸入法(TRIM法)对陕西省宝鸡地区非饱和黄土进行土-水特征曲线试验;并采用van Genuchten模型、FredlundXing模型和Gardner模型对试验数据进行了拟合,其中van Genuchten模型整体拟合效果最好。试验结果表明:在脱水与吸水过程中,土-水特征曲线呈现出明显的滞回效应。以测得的土-水特征曲线为基础,采用ChildsCollis-Geroge预测模型,求出了黄土在非饱和状态下的渗透函数方程。结果表明:非饱和黄土的渗透系数与体积含水率呈正相关,与基质吸力呈反比关系,且两者均可以用指数函数表示。这为本区黄土工程地质问题,如在降雨作用下的边坡稳定性评价等提供了可靠的水力参数。     

膨胀岩饱和与非饱和渗透特性试验研究

膨胀岩边坡的破坏往往与水的入渗密切相关.而膨胀岩的渗透特性又是进行边坡渗流场以及稳定性分析的依据.基于此,以南水北调中线河南安阳段的膨胀岩为研究对象,进行了饱和与非饱和渗透特性试验.试验结果显示:在同一时刻,所有膨胀岩试样的下渗速度随着初始含水量的增大而减小;在0~400kPa的吸力范围内,膨胀岩体积含水量随着吸力的增加降低幅度较小.利用V-G模型将试验结果进行拟合,得出了该膨胀岩试样的土水特征曲线.同时,预测了膨胀岩试样的非饱和渗透系数计算公式.阐明了膨胀岩的持水性能,并为计算膨胀岩边坡在水分入渗情况下的稳定性提供了依据.     

非饱和土壤水分运动参数的确定——以昆明红壤土为例

应用数学物理方法对降雨入渗、产流等水量转化关系模拟时,土壤水分运动参数即土壤水分特征曲线、扩散率、导水率是必不可少的数据,影响和控制着水及溶质在土壤和地下水中的分布和运移速度,是描述和研究土壤水运移的关键参数.以昆明地区红壤为例,利用离心机测定土壤水分特征曲线、水平土柱测定扩散率并计算出导水率,利用VG公式拟合土壤水分特征曲线,通过指数经验公式拟合土壤水体积分数与扩散率、导水率的关系,结果表明具有显著的相关性.在参数确定过程中,充分考虑了颗粒粒径、干容重等影响,得到了最优的土壤水分运动参数,为相关研究提供一定的参考.     

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.     

基于土水特征曲线的非饱和土强度预测研究

土水特征曲线反映了非饱和土体中的基质吸力与含水量,或者饱和度之间的关系,在非饱和土的渗流、强度、扩散等诸多方面的研究都会涉及土水特征曲线的相关理论。在前人研究的基础上,分析了土水特征曲线产生滞回效应的微观机理,将基质吸力产生的负压力对应于土颗粒间所产生正应力的增量,将体积含水量引入抗剪强度增量公式。认为非饱和土的强度分为土体处在饱和状态时的强度以及由于基质吸力所引起的强度增量两个部分,提出了非饱和土的强度预测公式;并通过定义等效含水率对公式进行修正。通过选取的四种材料参数对所提出的公式进行验证,结果表明强度预测公式与实际情况吻合良好,所提公式具有一定的适用性。在此基础上较为系统地分析了基质吸力对非饱和土体强度的贡献。     

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.     

应力状态和湿化路径对非饱和边坡的瞬态渗流状况的影响

借助双变量理论,提出了预报非饱和土中渗流和变形的简化模型,由此考察了依赖于应力状态的土的水分特征曲线（Stress Dependent Soil Water Characteristic Curve,SDSWCC）及其干湿滞回效应对非饱和边坡中的瞬态渗流的影响。     

非饱和土的渗透函数方程

从非饱和土土水特征曲线方程出发,根据渗透函数和土水特征曲线的关系,推导出了非饱和土渗透函数方程。用拟合土水特征曲线试验结果所得参数形成的渗透函数方程与测量结果一致,由于土水特征曲线方程和渗透函数方程含有相同参数,说明了两个方程之间有内在联系。