非饱和堆积土边坡降雨–渗流潜蚀耦合过程模拟

西部山区的松散堆积土是一种宽级配弱固结土,其内部细小颗粒易随降雨入渗在粗颗粒土骨架间孔隙发生迁移,改变土体水力特性,诱发堆积土边坡降雨失稳。为定量研究降雨作用下堆积体内在的渗流潜蚀耦合演进规律及其斜坡失稳机理,对降雨作用下非饱和堆积土边坡中坡体及孔隙尺寸的细颗粒迁移现象进行了分析概化,并基于多孔介质力学及混合物理论构建了描述非饱和堆积土中细颗粒侵蚀—运移—沉积全过程的渗流潜蚀模型。该模型被植入有限元程序,模拟了降雨作用下1维非饱和堆积土柱内部的渗流潜蚀耦合响应过程,并结合无限边坡模型定量分析了细颗粒迁移引发的土体渗透性、持水性及强度演化对非饱和堆积土边坡降雨入渗过程及稳定性的影响。通过数值模拟,阐释了松散堆积土边坡中细颗粒迁移引发边坡局部土体渗透性变化,形成相对不透水层,诱发浅层坡体失稳现象的内在机理;并指出堆积土中细颗粒的侵蚀流失将减弱土体持水性及抗剪强度,加速边坡内的降雨–渗流潜蚀进程,加速边坡的浅层失稳。鉴于由降雨–渗流潜蚀过程引发的土体渗透性、持水性及强度演化均会对堆积土边坡稳定性造成不利影响,对松散堆积土边坡进行降雨稳定性分析时应充分考虑其内在的细颗粒迁移效应。     

降雨条件下非饱和土边坡流固耦合数值模拟

在传统的应力平衡方程基础上,结合岩土介质饱和-非饱和渗流理论,考虑边坡岩土体的非饱和性及渗透系数的非线性特征,建立了渗流场-应力场耦合方程,并将其时间、空间离散后得到增量形式的有限元方程组.结合数值算例,对降雨条件下非饱和土质边坡进行了流固耦合分析.研究结果可为降雨条件下边坡稳定性分析和滑坡预测提供技术支持.     

降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定性研究进展

降雨,特别是强度大、历时长的暴雨,是引起边坡失稳破坏的主要因素。降雨期间,雨水的大量入渗使边坡土体的饱和度增加,非饱和区基质吸力降低,土体抗剪强度下降。当降雨的强度和持续时间超过一定程度时,便可能导致边坡失稳。在讨论非饱和土强度理论和渗流理论的基础上,探讨了近年来关于非饱和土边坡稳定性研究的进展。     

基于PFC-Geostudio耦合的边坡降雨变形破坏研究

为研究降雨条件下边坡的变形破坏情况,建立典型边坡模型,通过有限元软件Geostudio进行渗流分析,将不同降雨强度下的边坡土体的含水量情况导入至颗粒流方法中,根据颗粒位置修改其重度、及接触参数,并对渗流区域施加渗流力,当降雨强度大于边坡入渗速度时,增加考虑坡面径流对颗粒的拖曳作用,分析了不同降雨强度下边坡变形情况以及滑坡破坏过程。研究表明,发生降雨时,边坡变形主要为沉降,最大变形产生在坡顶位置;当降雨强度较大时,坡脚颗粒会由于冲刷作用发生滑动,并诱发后部边坡土体发生渐进式牵引式滑坡。     

非饱和土渗流变形耦合的数值分析

基于一维非饱和土的渗流-变形控制方程,采用Flex PDE（Partial differential equation）软件对该耦合方程组进行求解分析。该方法突破了解析法对非饱和土导水系数函数的特殊限定,适用于任意的土-水特征曲线表达式;还可考虑到饱和时的渗透系数以及孔隙率是变量。与解析解相比,该数值解表现较高的精度,具有解决非饱和土耦合问题的可行性。计算分析表明,非饱和土渗流-变形耦合作用对暂态孔隙水压力分布产生重要的影响,在降雨入渗过程中需考虑土体渗流-变形耦合的影响。降雨初期,位移随着时间明显增大,地表出现下沉,考虑耦合效应的孔隙水压力慢于非耦合情况,原因是H值为正的。随着降雨持续时间的增大,地表下沉的速度减缓,到最后变形开始稳定。位移的变化快慢与孔隙水压力变化规律相同。地表沉降量还与初始孔隙水压力分布以及H值密切相关。饱和时的渗透系数以及孔隙率对非饱和土降雨入渗以及稳态流的分布产生影响,但对其地表变形产生的影响微弱。     

降雨条件下非饱和土边坡渗流-应力耦合分析

以广西兴业县某滑坡为研究对象,利用Geo-Studio软件对非饱和土边坡渗流场、应力场、变形场进行直接耦合数值模拟分析,进而总结出了非饱和土边坡稳定性及滑移面的演化规律.结果表明:边坡浅层土体对降雨响应剧烈,孔隙水压力、体积含水量与降雨强度呈正相关性,基质吸力、有效应力锐减,引起抗剪强度下降,不利于边坡稳定;浅层土体受...     

降雨入渗对非饱和土边坡稳定性的影响

研究降雨入渗对边坡稳定性的影响规律。采用有限元法进行非饱和土边坡的二维非稳态渗流计算,考虑基质吸作用利用极限平衡法进行非饱和土边坡稳定安全系数计算,进而通过算例计算,分析了降雨过程中及降雨之后,边坡内孔隙水压分布、潜在滑裂面位置以及边坡稳定安全系数的变化情况。着重分析了降雨强度和降雨持续时间的影响,并特别注意分析降雨结束后的边坡稳定性。算例表明某些情况下边坡安全系数最小值出现在降雨之后的数小时或数天,而非降雨的过程中或降雨刚刚结束之时。     

降雨入渗下膨胀土边坡的稳定性分析

膨胀土是一种特殊的非饱和土。随着降雨的入渗,膨胀土中的吸力和抗剪强度都将减小,因而研究膨胀土边坡在降雨入渗作用下的稳定性具有重要意义。文章以合肥轨道交通1号线膨胀土边坡为研究对象,采用Geo-Studio软件研究了降雨强度及历时、土体裂隙、时间推移对边坡稳定性的影响。在此基础上,运用正交试验设计方法对膨胀土的水力学参数(土水特征曲线拟合参数a、n、m及饱和渗透系数Ksat)进行了边坡稳定性的敏感性分析。结果表明:长时间的弱降雨对膨胀土边坡的稳定性有较大影响;裂隙的存在使降雨入渗作用下边坡的安全系数有较大降低;降雨对边坡稳定性的影响是持续性的;在影响膨胀土边坡稳定性的4个水力学参数中,饱和渗透系数Ksat为主要因素,土水特征曲线拟合参数a、n为不重要因素。     

降雨条件下坡积土边坡暂态饱和区形成机理及分布规律

降雨是引起坡积土边坡失稳的最常见外部因素之一。雨水的入渗在引起土体抗剪强度参数降低的同时,还将导致土体重度的增加、基质吸力的降低,最终造成边坡的失稳。开展雨水在边坡内部的渗流过程研究已成为分析边坡在降雨条件下稳定性的前提。基于有限元数值模拟方法,进行了雨水在土体中渗流过程的模拟,着眼于降雨条件下边坡暂态饱和区的形成、分布及消散特征,描述了该过程中边坡内部含水率、基质吸力、水力梯度的变化规律。结果表明：暂态饱和区形成的主要原因是土体中向湿润锋下方渗出的雨水量小于降雨入渗补给量,从而使得土体中的含水率累积升高;暂态饱和区的形成与降雨强度、降雨时间具有十分密切的关系,暂态饱和区形成时间、雨水入渗深度、土体表面体积含水率大小分别与降雨强度存在函数关系;清晰描述了暂态饱和区形成发展消散地下水位升高的全过程,从该过程看,边坡排水措施的设计值得思考。     

考虑降雨入渗过程的非饱和边坡稳定性分析

常规的滑坡稳定性评价方法仅考虑到滑动面基质吸力对强度的贡献,当降雨入渗深度小于滑面深度时,常规方法不能反映滑坡稳定性随降雨进行而降低这一现象.运用饱和土非饱和土统一抗剪强度理论,对滑坡土条受力分析进行了改进,推导了考虑土条侧边基质吸力变化的条分法,结合Iverson降雨入渗解析解,对降雨入渗过程中基质吸力变化导致边坡稳定性降低的机制进行了探讨.研究表明,土条侧面基质吸力提高了土体抗剪强度,它作为抗剪强度的一部分,通过条间作用力的形式提高土坡的稳定性,随着降雨入渗的进行,土条侧边基质吸力急剧下降,导致条间作用力下降,稳定系数降低.     

持续小强度降雨入渗对非饱和土边坡稳定性的动态影响

以含水量作为土体抗剪强度的主要控制参量,分析了边坡含水量和抗剪强度随降雨时间的变化特性,建立了持续小强度降雨入渗条件下非饱和边坡土的总凝聚力和内摩擦角与时间的关系。随着降雨持续进行,边坡降雨影响区域扩大。通过FLAC3D进行强度折减,得到了持续降雨过程不同时间段的边坡动态安全系数和边坡失稳前的持续时间。工程计算结果表明,持续小强度降雨条件下边坡临界滑动面仍处在非饱和状态。     

降雨入渗条件下无限边坡的稳定性分析

用Iverson解析解描述降雨入渗,并采用Mohr-Coulomb强度准则,对降雨过程中平移模式下无限均质边坡的水平位移进行弹塑性计算,据此分析边坡安全系数和滑坡前坡面水平位移的关系,并探讨土坡的抗剪强度参数、降雨强度和初始应力状态对边坡安全系数和水平位移的影响.结果表明,对于抗剪强度参数较小的无限边坡,在较大的降雨强度作用时,滑坡很快就会发生,且滑坡前的水平位移较小,但初始应力状态对滑坡发生的时间没有影响.     

降雨条件下不同土质非饱和路基边坡响应特性

通过对我国西部2种典型非饱和路基边坡实施现场人工降雨的监测结果表明,随着各次降雨的依次进行,非饱和路基边坡初始含水量逐渐增大,入渗率逐渐减小;非饱和黄土路基边坡的初始含水量状态对应着一个临界降雨量,只有降雨量超过该临界值,边坡才有可能产生径流。降雨强度越大,从降雨开始到径流产生所需的间隔时间越短;非饱和黄土路基边坡的吸力值远大于非饱和土石混合土路基边坡。在试验条件下,压实黄土路基边坡的降雨入渗影响深度在0.3~0.6 m之间,而土石混合土路基边坡降雨入渗影响深度在2.4 m以上。     

降雨条件下含有球状微塑料的非饱和黄绵土入渗特性研究

为研究降雨条件下含有不同含量、不同粒径的球状微塑料黄绵土的非饱和入渗特性,开发了一套模拟降雨条件下土柱垂直入渗模型试验研究装置,对含有微塑料的非饱和黄绵土进行了七组降雨入渗试验。结果表明:(1)在降雨强度为20 mm/h、微塑料粒径为5 μm时,微塑料含量为0.05%时促进雨水入渗,其他微塑料含量阻滞雨水入渗,且随着微塑料含量的增加,积水点和饱和点出现的时刻越早。(2)在降雨强度为20 mm/h,微塑料含量为0.25%时,微塑料粒径为3 μm时显著促进雨水入渗,整个试验阶段不产生积水,微塑料粒径为5 μm和8 μm时产生较多积水,阻滞雨水入渗。(3)微塑料的疏水作用显著影响雨水入渗过程,但是其对峰值含水率的影响较微弱,峰值含水率随着微塑料含量的增加而逐渐减小,随着微塑料粒径的增大而逐渐增大。     

双层结构边坡降雨入渗与坡面径流耦合分析

天然土质边坡在地质和人为因素的作用下,通常呈现一定层状结构,在强降雨作用下会产生入渗和坡面径流。研究降雨条件下坡面径流与地表入渗相互影响过程,对山地洪水和滑坡灾害防治具有重要意义,然而,目前为止对层状土边坡地表与地下渗流的相互作用机制的研究理解还极为有限。本文针对上粗下细型层状土边坡降雨入渗研究中忽略坡面径流影响导致入渗分析不符合实际这一问题,基于Moore双层入渗和坡面径流控制方程建立耦合模型,并通过Python编制相应的计算程序分析耦合条件下双层结构边坡降雨产流及停雨后雨水重分布全过程。数值分析结果表明边坡土体降雨入渗过程与坡面径流深度有关;降雨初期降雨强度<坡面入渗能力,入渗速率等于降雨强度,坡面产流后入渗速率随降雨持时逐渐减小趋于稳定;当湿润锋跨过土层交界面时入渗速率急剧减小,最终等于次层土的渗透率,意味着上粗下细型层状土入渗速率主要由次层土控制同时降雨停止后径流快速衰退,已入渗的雨水在重力和湿润锋下方土体基质吸力的作用下继续向下推移,湿润锋入渗深度随雨水重分布历时趋于平缓。算例表明,该计算模型与计算方法可行,能够较好地反映实际层状土边坡的降雨入渗过程,为类似的层状土边坡研究提供计算依据。     

黄土区坡面侵蚀分析与研究

针对黄土区地貌和水土流失的特点,着重分析了坡面侵蚀诸影响因子,揭示了降雨等与坡面径流及侵蚀变化的规律,旨在为水土保持工作及工程建设提供科学依据,并提出有待进一步深入研究的新课题.     

间歇降雨条件下聚苯乙烯微球对黄绵土入渗特性影响研究

为研究间歇降雨条件下不同聚苯乙烯塑料微球含量、不同降雨间歇比对黄绵土非饱和入渗影响,利用室内一维土柱模型开展垂直入渗试验研究。结果表明: 在间歇降雨循环条件下,土体的湿润锋速度随着间歇降雨循环的增加而逐步衰减,湿润锋速度衰减曲线符合logistic模型,并且具有较好的拟合优度;在间歇降雨条件下,低含量的聚苯乙烯微球会使得土体对降雨响应更加敏感,减小对降雨响应的滞后时间,并且增大土体湿润锋深度,减弱土体持水能力,而高含量的聚苯乙烯微球会增大土体对降雨响应滞后时间,并且减小湿润锋深度,增强土体持水能力;在降雨时间与间歇时间比2∶1的条件下,与降雨时间与间歇时间比1∶1试验组相比,表现出短历时下湿润锋深度增大,而长历时下湿润锋深度减小;在降雨时间与间歇时间比1∶2条件下,与降雨时间与间歇时间比1∶1试验组相比,土体对降雨有着更明显的响应,但在相同历时内其湿润锋深度减小。