渗流-应力耦合效应对非饱和土边坡稳定性影响分析

基于VG模型得到土-水特征曲线与渗透系数函数曲线,通过建立有限元数值分析模型,采用有限元软件SIGAM/W与SEEP/W分别进行渗流-应力耦合分析与只考虑渗流的非耦合分析,将得到的渗流场与应力场导入SLOPE/W计算安全系数并对土坡内应力应变进行分析,研究耦合效应对边坡稳定性影响的相关规律。结果表明,渗流-应力耦合效应使得土体中雨水下渗速度更快,土中基质吸力消散更快;降雨对土坡稳定有不利影响,耦合分析土坡安全系数比非耦合分析小,耦合效应对非饱和土边坡稳定性影响不可忽略;降雨入渗条件下,土坡浅层出现应力集中现象,湿润锋深度处出现应力集中带,土坡易发生浅层破坏;坡脚水平位移比坡顶大,土坡失稳多从坡脚开始。     

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。     

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。     

降雨条件下土质边坡的稳定性分析

结合工程实例,运用非饱和渗流理论,研究了降雨条件下边坡土体内地下水位变化和孔隙水压力的分布规律,采用强度折减法对非饱和渗流影响下边坡的稳定性进行了分析。结果表明,随着降雨时间的持续,降雨强度越大,滑坡坡面的浸润线变化越明显。降雨入渗使地下水位抬高,从而孔隙水压力升高,在地下水位以上区域出现暂态饱和区,相应出现暂态孔隙水压力升高和非饱和区基质吸力下降的情况,使得边坡稳定性降低。不考虑基质吸力的影响时,降雨强度从94.7 mm/24 h升至94.7 mm/2 h,边坡的安全系数从1.100降到1.002;考虑基质吸力的影响时,降雨强度从94.7 mm/24 h升至94.7 mm/2 h,边坡的安全系数从1.205降到1.005。     

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,本文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,模拟了降雨作用下一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,本研究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。     

降雨入渗条件下分层非饱和土质边坡随机反分析

基于时变数据参数随机反分析理论,采用马尔可夫链蒙特卡罗方法(Markov chain Monte Carlo simulation,MCMC法),建立了分层边坡非饱和渗流随机反分析模型.以香港东涌某天然坡地降雨入渗现场试验为案例,建立单层土和双层土非饱和渗流模型,利用DREAM算法对时变降雨条件下非饱和土渗流模型参数进行随机反演,研究了单层土和双层土模型参数后验分布和预测效果.结果表明,参数后验分布变异性较先验分布减小,与单层土模型相比,双层土模型能缩减更多的参数不确定性,校准期内置信区间更窄,验证期内预测与实测值吻合程度较高.     

基于非饱和渗流理论的土石坝渗流分析

针对考虑土壤非饱和区且设有排渗系统对水库渗流影响研究不足的问题,结合工程实际,采用非饱和渗流分析方法,对设有集水廊道的土石坝渗流进行研究。结果表明:土壤非饱和区的存在导致大坝单宽流量增大,浸润线抬升;考虑非饱和渗流的影响研究渗流问题更符合工程实际情况,弥补了饱和渗流研究存在的不足,丰富了已有的渗流研究成果;此外,采用设置集水廊道的排水措施能够有效地降低坝内和下游河床浸润线,减少下游浸没区范围,有利于大坝整体抗滑稳定和后期安全运行。     

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。     

饱和-非饱和渗流作用下边坡稳定分析的混合法

针对边坡稳定分析条分法存在的问题，在饱和－非饱和渗流不动网格有限元计算的基础上，用土体单元所受的渗透力代替其周边的孔隙水压力，达到利用渗流计算时的剖分网格和计算结果，直接连续进行渗流作用下的边坡稳定分析的目的，并有用数学规划中的单纯形法自动寻找最小安全系数，算例表明，该方法具有一定的实用性，并为考虑降雨等引起的饱和－非饱和不稳定渗流作用下的边坡稳定问题的分析提供了实用的工具。     

土石坝渗流的流固耦合方法计算分析

采用有限元流固耦合方法对土石坝的非饱和渗流问题进行计算和分析,设定有限元模型的合理边界条件,计算了均质土石坝和非均质黏土心墙坝的渗流参数,得到了土石坝的渗透流量,绘制了孔隙水压力等值线图和浸润线。从计算结果可知,该方法对于黏土心墙坝适用性良好,计算结果准确。     

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。     

节理裂隙岩体渗流与应力耦合分析

在总结已有的饱和非饱和渗流模型的基础上，把裂隙岩体看作是离散网络模型，分析研究了含节理裂隙岩体的非饱和渗流特性，建立了裂隙网络饱和非饱和渗流模型，并推导了控制方程．对节理裂隙岩体中外力对裂隙渗流的影响进行了分析研究，提出了渗流场—应力场耦合的分析模型，推导出三维应力与裂隙水压力共同作用下一组平行裂隙组的渗流应力耦合关系式。     

节理裂隙岩体渗流与应力耦合分析

在总结已有的饱和非饱和渗流模型的基础上,把裂隙岩体看作是离散网络模型,分析研究了含节理裂隙岩体的非饱和渗流特性,建立了裂隙网络饱和非饱和渗流模型,并推导了控制方程.对节理裂隙岩体中外力对裂隙渗流的影响进行了分析研究,提出了渗流场-应力场耦合的分析模型,推导出三维应力与裂隙水压力共同作用下一组平行裂隙组的渗流应力耦合关系式.     

尾矿坝渗流场与应力场耦合作用的数值分析

在分析岩土介质渗流场与应力场耦合的用机理的基础上,建立二者耦合模型。以此为基础,针对具体的尾矿坝,进行渗流场与应力场相互耦合的数值模拟。模拟计算了单独考虑渗流场,单独考虑应力场以及两场耦合情况,并将三种情况进行了对比分析。结果表明:在耦合场中渗流量比单独计算时小;耦合场中沉降量比单独计算时大,且最大沉降量发生区域大致相同;耦合场中各向应力总量最大值比非耦合场中大,局部出现应力集中现象;耦合场中应力等值线分布规律与非耦合场基本一致。     

岩土体内降雨非饱和入渗问题研究

讨论了降雨非饱和入渗机理、计算分析及其工程应用方面所取得的成就和存在的问题。其中包括了降雨入渗机理模型、土-水特征曲线、降雨非饱和数值计算等方面的研究。另外就降雨入渗诱发滑坡问题的应用进行了简单的探讨,并指出了目前应用中存在的问题和新的研究方向。研究结果表明,进一步发展降雨非饱和入渗理论研究及其计算方法对完善非饱和入渗理论和解决由降雨入渗引起的地质灾害工程问题有着重要的意义。     

等效连续岩体的渗流应力耦合模型研究及应用

以渗透系数、孔隙率和应力的关系作为桥梁,当渗流场为非稳定渗流时,建立等效连续岩体渗流的耦合模型.采用有限单元法,进行了数值模拟,并结合算例进行两场耦合计算分析.从算例的计算结果来看,计入耦合作用后,岩体各应力分量都有不同程度的增加,特别是个别方向的应力分量增加幅度较大.因此,在工程设计中应该考虑耦合作用,这对于工程安全有着十分重要的指导意义.