饱和土体固结3D比例边界有限元法分析

基于饱和土体Biot固结理论,考虑土体体力与表面作用力,结合饱和土体中土骨架动力平衡方程与孔隙流体的连续方程,在计算域内采用Galerkin加权余量法,推导了3D无限、有限域全耦合饱和土体固结的比例边界有限元方程.理论推导表明:与单相弹性土体不同的是,由于孔隙水的存在,饱和土体固结比例边界有限元法方程中不仅有位移、应力矩阵,而且还存在孔隙水压力的影响耦合矩阵;该方程不仅能够满足无限域无穷远边界辐射条件,而且在径向(与饱和土体-结构接触面垂直方向,指向无限远)上具有严格的精确性,环向上(与饱和土体-结构接触面平行方向)具有有限元单元无限收敛的准确性.     

两种土模型下饱和土中球空腔的动力响应

考虑土颗粒间库仑摩擦消耗的能量,采用弱非弹性介质模型研究饱和土中球形空腔的动力响应.基于Yamamoto模型,建立了具有球空腔饱和土体稳态振动的控制方程;通过引入势函数,分别得到了边界透水和不透水条件下饱和土体的位移、应力和孔隙水压力等解析表达式;利用界面连续性条件,确定了待定系数的具体表达式.以饱和砂土和粉土为例,分析了Biot两相饱和介质和Yamamoto两种土模型下饱和土中球形空腔动力响应的差异.在此基础上,分析了界面处具有球形空腔饱和砂土和粉土的径向位移、孔隙水压力和环向应力幅值随外荷载激振频率、空腔半径的影响.结果表明:在共振频率处,Yamamoto土模型下饱和土体的动力响应小于Biot土模型下饱和土体的动力响应;能量损失比对饱和土中球形空腔的动力响应有显著的影响.     

不排水固结问题的劈裂半显式交互解法

对不排水固结问题,由于受Ｂａｂｕｓｋａ－Ｂｒｅｚｚｉ稳定条件限制,常规的有限元等插值ｕ－ｐ解法将不能给出正确的结果。本文提出的半显式交互解法可避免这一条件的限制,使得位移ｕ、压力ｐ的插值阶数保持一致。一个简单算例验证了本文方法的正确性。     

突加集中荷载作用下饱和土-深埋圆形隧道衬砌系统的非轴对称动力响应

考虑饱和土与深埋圆形衬砌的相互作用, 研究了突加集中荷载作用下饱和土-衬砌系统的非轴对称动力响应. 基于Biot理论和弹性理论, 采用Laplace变换和Fourier级数, 考虑衬砌边界条件以及衬砌与饱和土交界面处的连续性条件, 在Laplace变换域内求得突加集中荷载作用下饱和土-弹性衬砌耦合系统的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式. 利用Laplace逆变换Crump数值反演方法得到饱和土-衬砌系统动力响应的数值解, 并分析了土体和衬砌系统的力学、几何等参数对系统动力响应的影响. 结果表明: 5倍隧道衬砌半径以外处土体的动力响应远小于隧道附近土体的动力响应; 衬砌刚度和厚度对土体位移和应力影响显著, 但对孔隙水压力影响较小; 孔隙水的可压缩性对土体位移的幅值影响不大, 但对应力幅值的影响较为显著.     

波浪荷载引起海床土体与桩动态响应

以Navier-Stokes方程作为波浪控制方程,并采用VOF(Volume of Fluid)法进行自由表面追踪来准确模拟海洋表面波浪运动,建立了波浪-海床-桩基动力问题的数值模型来模拟波浪对桩基和海床的作用.把海床视为多孔介质,以Biot动力理论为基础,考虑土体骨架的加速度,并用孔隙水位移的速度场(位移-孔隙水压力动态模型)来模拟海床土体动态响应的过程.在模型验证的基础上,分析了水深对桩身弯矩、水平位移的影响,以及波高和海床渗透系数对桩周孔隙水压力的影响,并且对不同渗透系数时桩周土体的液化特性进行了讨论.     

深埋圆形隧洞饱和土-衬砌简谐振动的解析解

在频率域研究深埋圆形隧洞饱和粘弹性土体-衬砌系统耦合简谐振动的动力学特性.根据弹性理论和饱和多孔介质理论,分别得到衬砌和饱和粘弹性土体的稳态动力响应;通过衬砌边界条件以及衬砌与饱和土界面的连续性条件,得到衬砌边界均布简谐载荷作用下饱和土-衬砌系统稳态振动时的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式.考察物理和几何参数对系统动力学特性的影响.研究结果表明：孔隙水的渗透性对系统动力特性影响显著,不透水情形下系统响应远大于透水情形下的响应,且不透水情形下,衬砌厚度对系统响应具有显著影响.然而,土骨架与孔隙水相互作用系数和土体泊松比等对系统响应影响很弱.     

非均匀饱和土层的波动响应分析

采用基于混合物理论的多孔介质模型,建立饱和土介质一维动态响应问题的控制方程,在基本方程中考虑土体的非均匀性以及变形过程中的固体颗粒相和孔隙流体相体积分数的变化.选取固体骨架位移、孔隙流体位移以及孔隙流体压力作为状态变量,利用Laplace积分变换建立问题的状态方程.作为数值算例,考虑饱和土层的物理力学性质沿深度方向按指数函数连续变化,利用打靶法和数值Laplace逆变换获得在阶跃荷载作用下的位移和应力场物理量的瞬态响应,重点分析讨论材料非均匀性对饱和土介质动力特性的影响.结果表明,非均匀性对饱和土的瞬态响应有显著的影响;在小变形假设下组分相的体积分数变化很小.     

降雨型滑坡现场模拟试验研究

通过现场模拟人工降雨条件下诱发滑坡,在整个过程中,对坡面裂隙、土体深部位移、孔隙水压力、地表径流等进行实时监测,探求在降雨情况下的滑坡成灾特征及机理.试验得出了土体抗剪强度指标、滑动面形态特征等物理力学参数.降雨使土体吸水饱和,渗透性降低,抗剪强度降低,进而产生边坡失稳.通过数值模拟,得到降雨入渗过程中边坡稳定性、应力场和位移场的变化趋势.流一固耦合情况下边坡稳定系数比非耦合时降低5%,说明动水力对降雨型滑坡具有影响作用.     

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.     

基于强夯大变形的地基流固动力耦合分析

根据流固动力耦合方法分析强夯加固地基机理,在土体的应变位移关系上采用大变形假设,建立土体非线性动力平衡方程和整体流固动力耦合方程.在算例数值分析中给出了地基位移、孔隙压力在强夯作用时间内和空间中的变化分布规律,得到了夯锤的最大夯沉量,计算了夯击后地基孔隙压力的消散行为,计算结果与济南绕城高速公路强夯法施工现场的测试结果较符合.     

基于饱和多孔介质的复杂自由场地震响应分析

采用不可压缩饱和多孔介质的广义Biot理论模型,导出流体饱和两相多孔介质振动问题的有限元方程,并对港珠澳工程沉管隧道段自由场进行数值模拟计算.计算结果表明,相对于传统的单相介质自由场而言,饱和两相多孔介质自由场地表加速度峰值有所降低;实际场地的地形地貌对孔隙水压力有显著影响;多孔材料的渗透系数增大,可能会导致其孔隙水压力降低;同时输入地震作用的大小也会影响场地地震液化的评估.由此可见,基于不可压缩饱和多孔介质的数值模拟方法在场地地震液化分析中可行,其结论可以应用在其他工程场地分析中.     

降雨作用下南水北调膨胀土渠道稳定性及影响因素

南水北调中线工程膨胀土渠道超过全长的四分之一,降雨是诱发膨胀土渠坡失稳的主要外因.对比分析了考虑非饱和渗流对边坡稳定性的影响,基于有限元方法计算降雨作用下渠道的饱和-非饱和渗流场,分析其边坡的安全系数和位移的变化规律,最后通过正交试验和灰色关联理论对渠道边坡稳定性的影响因素进行敏感性分析.研究结果表明:考虑非饱和渗流下边坡稳定性分析结果更切合工程实际;降雨过程中,边坡浅层一定深度内土体的孔隙水压力迅速增大,这一土体范围随着降雨强度增大和时长增加逐渐向深部扩展;降雨对堤顶向下0～2.5 m范围和一级马道向下0～5 m范围内土体含水率的影响较大,降雨强度的影响大于降雨时长;降雨导致土体吸水膨胀,位移出现轻微的回弹;渠坡的安全系数随着降雨持续逐渐减小,并且降雨强度越大,降幅越大;影响边坡稳定性因素的敏感性排序:黏聚力＞内摩擦角＞饱和渗透系数＞降雨强度＞降雨时长＞土体重度.研究结果可为南水北调工程加强渠道稳定性提供依据.     

饱和地基三维非轴对称动力响应

通过Laplace变换，建立了各向同性弹性饱和土在圆柱坐标系下，基于Laplace变换域内的Biot非轴对称波动方程；利用方位角的Fourier变换和径向Hankel变换，将波动方程转入为一组二阶常微分方程组；求解波动方程后，得到有限层厚的饱和地基的位移和应力通解;进而结合饱和地基的边界条件和排水条件，求解了任意竖向力作用下，饱和半空间地基的动力响应问题。     

多通道负压排水动力夯实技术试验

应用多通道组合低位负压动力夯实法对南通滨海园区通州湾科教城场地进行加固地基研究,分析水位、表面沉降、土体深层水平位移、孔隙水压力、真空度的变化过程和特性,对处理后地基土的物理性质、强度和承载力进行了检测和评价。结果表明,持续降雨下场地内水位可快速降至3 m以下,非密封条件下抽真空在7 m深度内形成负压,强夯引起的超静孔压可在2~3 d内快速消散;夯实以沉降压缩为主,侧向位移小,土体物理力学性质明显改善,有效影响深度达到6.5 m,地基承载力特征值达到80 k Pa;多通道负压排水动力夯实技术能够增强降排水和超静孔压连续快速消散能力,对地下水丰富、降雨充沛区域的适应性强。     

2.5维有限元分析高铁荷载诱发非饱和土地面振动

开发一种非饱和地基2.5维有限单元方法研究高速列车荷载引起的地面振动.对时间进行Fourier变换并沿轨道方向进行波数变换将三维空间问题降为二维平面问题,结合边界条件和Galerkin法推导控制方程2.5维有限元格式.轨道结构视为非饱和地基上的Euler梁,所得频域-波数域内解答通过快速Fourier逆变换得到三维时域-空间域内结果.分析了车速和路基液体饱和度对地面振动及超静孔隙水压力的影响.结果表明,路基从完全饱和转为近饱和状态轨道中心处地面振动位移幅值变化显著;非饱和路基地面振动位移随时间衰减更快.距轨道中心8 m远处,同一速度下饱和路基路面振动持时大于非饱和路基;车速提高非饱和土振动持续时间变短,而饱和土地面振动持时变长.近轨道处200 km·h~(-1)下地面振动位移幅值大于其他速度且均以相当速率快速衰减;地面振动加速度级在某些车速下的衰减会出现反弹增大现象,其位置与车速密切相关.轨道中心处超静孔隙水压力主要分布在地表下4.5 m内,最大幅值出现在1.5～2.0 m深,且随路基饱和度降低显著减小.     

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.     

堆载预压处理滨海软基三维数值分析

塑料排水板在处理软土地基中已广泛应用.针对塑料排水板地基目前主要分析方法是将其转化为平面应变有限元,然而计算的孔隙水压力和水平位移结果不理想.基于ABAQUS排水板单元建立较大规模的三维有限元模型,结合某塑料排水板堆载预压处理软基工实例模拟分析.计算所得的软基的沉降曲线、孔压曲线与现场测量值比较吻合,证实了模型中三维排水板单元的可靠性.通过改变施加填土的时间以及堆载预压的时间,对比观察软土地基超孔隙水压力和地表沉降的变化规律,确定最佳的施工方案.为以后堆载预压处理软土地基的设计与施工提供指导和参考.     

考虑流固耦合效应的浅埋矩形顶管隧道开挖稳定性分析

为进一步研究流固耦合效应下浅埋矩形顶管隧道开挖面稳定性,结合南通世纪大道站矩形顶管过街通道工程,通过现场监控、数值模拟和理论分析等手段,分析了饱和砂层中流固耦合效应对开挖面极限支护力、破坏模式及孔隙水压力的影响。结果表明：支护应力比的减小将导致开挖面位移呈现3阶段发展形式,致使开挖面前方孔隙水压力减小,最终导致其整体失稳破坏;相较于无渗流力计算,考虑流固耦合效应时开挖面前方土体土拱效应发挥程度较大,其极限支护应力比远小于1;深径比对浅埋矩形顶管隧道开挖面前方的破坏模式影响较小,但在浅埋情况下与极限支护力呈线性关系。研究结果可为饱和地层浅埋矩形顶管隧道施工提供一定的参考。     

Numerical simulation of water-air two-phase flow in soil slope under water level rise condition

In order to simulate the unsteady seepage in soil slopes under water level rise condition, including water seepage and air seepage, and to investigate the influence of the capillary pressure on the slope safety coefficient, the water-air two-phase flow model was used and its solving method and definition condition were given. By the two-phase flow model, the pore air and pore water seepage of a soil slope under steady seepage and water level rise conditions were shown, and the slope stability in different cases was analyzed from the simulation results. We find that under water level rise condition, the pore air pressure in the unsaturated zone increased evidently and the capillary pressure should be considered while the pore air pressure can be neglected in slope stability analysis.