基于齐次化构建原理的非饱和土瞬态渗流问题解析解

非饱和渗流现象在地表广泛存在,其在诸多岩土工程实践方面具有重要价值。通过使用Gardner指数型土水特征曲线及渗透系数函数,对描述非饱和渗流的Richards方程和相应定解条件进行线性化及无量纲化。而后,基于齐次化构造原理对线性无量纲化的入渗控制方程等价分解,并采用分离变量技术进行解析计算,得到了无量纲渗透系数、渗流速率、体积含水量和基质吸力水头的解析表达式。选取典型土层作为研究对象,分析土层稳定渗流时地表入渗速率突增情形下的渗流演变规律。结果表明:湿润峰向土层深处的移动速度随时间逐渐减慢。粗粒土的饱和渗透系数对非饱和渗流由稳态发展到再次稳态有显著的影响。距离地表越近,渗流速度增大到稳态需要的时间越短;距离地表越远,其受地表边界作用发生响应的时间越晚。基质吸力水头和体积含水量的垂直方向上的分布仅取决于边界条件。     

改进的Picard法在非饱和土渗流中的应用研究

Richards方程广泛应用于非饱和渗流的数值模拟以及其他相关领域.在数值求解中,可以采用有限体积法进行数值离散,进而采用Picard方法进行迭代求解.然而,为了获得可靠准确的数值解,通常均匀网格的空间步长是很小的,特别是在一些不利的数值条件下,比如降雨入渗于干燥土壤中,这往往使得迭代过程耗时,甚至不收敛.因此,结合C...     

饱和–非饱和渗流的数值流形法研究与应用

非饱和渗流问题涉及岩土、水利和环境等众多领域,合理有效地模拟非饱和渗流过程具有重要意义。基于数值流形方法(numerical manifold method,NMM)的覆盖思想,建立了非饱和渗流Richards方程的NMM离散格式,相比于有限元方法(finite element method,FEM),NMM的前处理更为灵活,对复杂边界具有更强的适应性。欠松弛技术和集中质量矩阵的引入,有效抑制了求解过程中的数值震荡现象。通过对一维和二维非饱和渗流算例的模拟,验证了算法的有效性与可靠性。     

结合Bathe算法及Signorini条件求解饱和–非饱和无压渗流问题

Bathe算法将浸润面确定问题转变为常规的非线性本构问题,Signorini条件将出溢面边界转化为常规的水头边界进行处理。由于非饱和渗流问题本身就是一个非线性渗透本构问题,将上述2种方法的联合使用,避免变分不等式的求解,在常规非线性有限元求解框架内做最小程度的改动基础上,实现饱和–非饱和渗流的求解,着重探讨以下几个问题：(1) Bathe方法收敛性的改善及其修正系数的三维推广;(2) 适用渗流问题的Signorini条件边界交换算法及其实现;(3) 提高非饱和非稳定渗流问题求解收敛性及质量守恒性的欠松弛处理方法。最后,通过典型的算例,讨论上述算法应用中的一些问题及其适用性和精度。     

非饱和土刚性挡墙抗倾覆临界嵌固深度研究

基坑周围土体实际处于非饱和状态,忽略基质吸力的饱和土挡墙抗倾覆设计不合理。基于非饱和土的平面应变抗剪强度统一解,考虑非饱和土强度的中间主应力效应和非线性,利用力矩相等推导基质吸力均匀和线性2种分布下基坑刚性挡墙的抗倾覆临界嵌固深度方程,给出工程应用步骤,并得到新提出的抗倾覆临界嵌固系数的参数影响特性。所得结果为系列化的有序解答,具有广泛的理论意义和很好的适用性。研究表明：基坑刚性挡墙抗倾覆设计的强度理论效应明显,考虑中间主应力效应可以更加发挥非饱和土体的强度潜能;基质吸力及其分布对抗倾覆临界嵌固系数具有显著影响,应合理假定基质吸力分布并采取工程措施确保其稳定存在;处理非饱和土强度非线性影响有2种方法,采用稳定较小吸力角的方法1简单偏保守,采用分段双曲线吸力角的方法2精确稍复杂,应正确认识高基质吸力对非饱和土强度及其结构设计的双重影响。     

基于SQP和上限法的非饱和土条形基础极限承载力计算

综合考虑有效内摩擦角、有效黏聚力、基质吸力等非饱和土强度参数以及基底以下基质吸力随埋深增加而变化的工程实际(以水土特征曲线表征),采用多刚性块上限分析法对非饱和土条形基础竖向极限承载力进行研究.假定非饱和土抗剪强度公式是Mohr-Coulomb饱和土抗剪强度公式的延伸,根据线性破坏准则和相关联流动法则,构建一个承受竖向荷载的非饱和土地基承载力二维机动破坏模式.根据外力功率与内部耗能相等原理获得非饱和土地基极限承载力的目标表达式,并把其转化成一个求含有非线性约束的极限承载力上限解最小值计算模型.对建立的计算模型采用序列二次规划法进行优化求解.研究结果表明:非饱和土抗剪强度参数取值对极限承载力量值具有非线性影响;土中基质吸力存在所引起的附加抗剪强度使非饱和土地基承载力较饱和土得到提高;土体内基质吸力分布方式和地下水位高低对条形基础极限承载力影响也较大,地下水位升高导致基质吸力降低,极限承载力减小;非饱和土过渡为饱和土时,同类方法相比本解答是较优上限解.     

基于GEOSTUDIO分析吸力对非饱和土边坡稳定的影响

基于非饱和土渗流和抗剪强度理论,分析了降雨条件下土体基质吸力对边坡稳定性的影响,探讨了考虑吸力和不考虑吸力条件下边坡的稳定安全系数,指出非饱和土坡稳定性与基质吸力有密切关系,基质吸力随含水量增大而减小,引起土体强度下降,土坡趋于不稳定。     

多孔介质中两相流动过程的毛细滞回效应

 含水量大小以及干湿循环变化历史对多孔介质渗流过程有着重要影响。基于多孔介质理论和毛细滞回内变量模型,建立能够考虑含水量变化历史影响的多孔介质两相流动模型,并利用开发的U-DYSAC2有限元程序进行相应的数值模拟。通过模拟结果与试验数据的比较,验证所建数值模型在模拟复杂条件下非饱和多孔介质渗流问题的可靠性与有效性。对干湿循环变化条件下土质边坡渗流过程进行数值分析,结果表明：毛细滞回效应对非饱和土渗流过程具有显著影响,非饱和土水力状态不仅取决于当前含水量或基质吸力大小,而且还与土体所经历的水力历史有关;特别地,如果利用主脱湿线来描述土水特征关系,那么土体中基质吸力的预测结果会偏高,从而使得传统边坡稳定性分析方法高估土体抗剪强度以及坡体安全系数。因此,在模拟非饱和多孔介质复杂渗流问题时必须要考虑毛细滞回效应。     

节点自适应无网格法在非饱和土瞬态渗流分析中的应用

在雨水入渗土体的过程中,由于湿润锋附近水力特性突变,数值模拟往往存在不收敛或数值振荡现象。为了准确地模拟降雨入渗过程,将无网格法应用于非饱和土水分运移分析。基于无网格节点自适应的思想,提出了非饱和渗流分析节点自适应准则。根据水力梯度判断湿润锋位置,再通过等参单元变换对节点进行加密,最后通过MATLAB编程求解雨水入渗过程中的水头分布。通过比较无网格法静态均匀布点、自适应布点和解析解计算结果,验证了节点自适应无网格法的适用性。结果显示,节点自适应无网格法不仅可以有效地避免因节点间距过大造成的数值振荡现象,而且计算结果更接近解析解。静态均匀布点最大水头的绝对误差约为0.5 m,而节点自适应的水头误差在0.2 m以内。因此,节点自适应无网格法是一种有效的解决渗流分析问题的数值方法。     

内含圆柱域热源的非饱和土介质水热耦合作用的SPH数值模拟

光滑粒子流体动力学(SPH)作为一种拉格朗日型无网格粒子方法,已经成功地应用于多种类型耦合问题的求解。基于SPH方法探索求解二维求解域内含有圆形局部热源的水热耦合问题,其中揭示了程序前处理阶段已有粒子布置方案存在的不足。针对所要求解的具体问题,使用一种新的粒子布置方案以弥补数值计算过程中的精度损失,该粒子布置方案中径向粒子间距严格相等,环向间距大致等于径向粒子间距。通过对水热耦合方程数学特性的分析,表明了SPH算法可以用于此类耦合问题的数值模拟。最后,基于SPH算法自行编制的程序对一种非饱和土介质内含有局部热源的水热耦合问题进行数值模拟,对非饱和土介质中热能传输以及水分迁移的规律进行了分析。     

非饱和非稳定渗流作用下土坡稳定分析的强度折减有限元方法

从固、液相质量守恒的角度讨论非饱和非稳定渗流的基本方程，采用强度折减有限元方法且结合非饱和非稳定渗流有限元程序分析水位骤降引起的土坡稳定性，并与极限平衡法结果进行对比分析。研究结果表明，强度折减有限元方法是分析非饱和非稳定渗流作用下土坡稳定性的一种比较有效的方法，为工程实践提供参考依据，同时也指出今后的研究方向。     

生物反应器填埋场中水平沟回灌渗滤液非饱和-饱和渗流分析

水平沟回灌是生物反应器填埋场中渗滤液回灌的主要模式之一，为研究水平沟回灌时生物反应器填埋场中渗滤液的非饱和-饱和运移规律，垃圾体的饱和与非饱和区域采用不同水流控制方程，饱和区域的水流控制方程采用饱和Richards方程，对垃圾体非饱和区域，由质量守恒原理，以修正的Darcy定理为基础，结合Elagroudy等提出的垃圾体沉降模型，建立了考虑垃圾体沉降的非饱和渗滤液运移控制方程。基于建立的考虑沉降特性的二维非饱和-饱和水平沟回灌计算模型，研究了水平沟回灌时渗滤液在生物反应器填埋场中的运移规律，提出水平沟回灌系统的设计方法。     

Ein physikalisch basiertes Modellkonzept zur Transportmodellierung in gekoppelten Hydrosystemen

Hydrosystems are very complex systems with numerous processes occuring simultaneously at different spatial and temporal scales. In this paper we present the concept of a compartment approach for the analysis of coupled hydrosystems including heat and mass transport. In this concept, flow and transport processes are coupled via their compartment (or process domain) boundaries without giving up the computational necessities and optimisations for the numerical solution of each individual process. In this new approach, random walk particle tracking (RWPT) methods are integrated into the coupled hydrosystem analysis. We briefly introduce the RWPT method and the governing equations for water flow, heat, and mass transport in aquifers, soils and on surfaces. Flow processes are described by diffusion equations (Darcy equation for groundwater flow, Richards equation for flow in the unsaturated zone, and the diffusive wave approximation for overland flow) which are coupled by exchange fluxes. Transport processes are described by advection-diffusion equations and coupled with the exchange fluxes by advection. We present three application examples concerning flow, mass and heat transport in coupled hydrosystems based on Horton- and Dunne overland flow as well as on hyporheic flows.     

A Practical Numerical Model for Seepage Behavior of Unsaturated Soil

It is important to estimate the seepage properties of unsaturated soils when performing an unsaturated-saturated seepage analysis, which is used to clarify the slope failure mechanism and predict the occurrence time of slope failure due to rainfall. Kitamura et al. (1998) proposed a numerical model to quantitatively estimating the seepage properties of unsaturated soils. And they have compared numerical results with laboratory soil tests in order to examine the validity of the numerical model. Consequently, it has been found that the numerical model must be improved moreover. In this paper a practical numerical model for seepage behavior of unsaturated soil is proposed to improve the previous model proposed by Kitamura et al. (1998). Firstly, the basic theories of the previous model are explained. Calculation results are compared with those obtained from the laboratory soil tests in order to examine the validity of the previous model. Then, we perform some improvements of the previous model based on hydro-mechanical properties, and propose a new parameter, named “parallel translation index (I_pt)”. From the results we showed that the relationship between the new parameter and the uniformity coefficient (U_c), expressed by logarithm is linear relation. Therefore, the reasonable seepage properties of soils can be computed from the improved numerical model using only the popular soil parameters.     

非饱和土中热湿盐多场耦合过程分析

以多孔介质理论为基础研究了非稳态条件下非饱和土中温度–水分–盐分多场耦合问题。考虑到非饱和土中孔隙被液态水、溶解的盐分、水蒸气和干燥气体等填充,在质量和能量守恒的基础上获得了非饱和土中水分、气体、盐分的质量守恒方程以及能量守恒方程。考虑一维非稳态问题,选取温度、孔隙气压、孔隙水压和含盐量以及其梯度作为状态变量,得到问题的状态方程组。利用Laplace变换将时域上的状态方程转换到频域上,在给定的边界条件下,采用打靶法求解该强耦合的非线性变系数微分方程组。基于Hausdorff矩问题的稳定化算法将频域上的数值解转化到时域上,通过与已有的试验结果相比较,验证了模型的有效性。基于数值算例与参数,分析了压力梯度、温度梯度、孔隙率等条件对非饱和中温度场、水分场和盐分场分布的影响规律。     

非饱和非稳定渗流作用下边坡稳定的有限元塑性极限分析下限法

常规的土坡稳定性分析方法主要是基于饱和土理论和稳定渗流情况,难以反映降雨作用和水位骤降对边坡稳定的影响,而实际上相当一部分坡体失稳是由于非饱和非稳定渗流引起的。基于Bishop提出的非饱和土有效应力原理以及Fredlund双应力强度理论,将任意时刻的水压力当做体积力考虑到平衡方程中,用基于有效应力的方式建立满足平衡条件、间断条件、应力边界条件以及屈服条件下考虑非饱和非稳定渗流作用的下限法非线性规划模型,并且编制了相应的程序。通过对降雨入渗和库水骤降的边坡数值算例的分析,验证了所提方法的正确性,对非饱和非稳定渗流作用下土坡失稳的规律有了进一步的认识。     

非饱和带水–气二相流数值模拟研究

为了真实反映非饱和带中流体(水和气)的运移规律和渗透特性,将非饱和带中的孔隙水和孔隙气作为研究对象,基于水-气二相流理论,建立了水-气二相流数学模型。该模型采用积分形式的有限差分法对控制方程进行离散,在应用Newton-Raphson迭代方法得到相应的线性方程组的基础上,编制了三维计算程序SEEP2P。通过对土坝稳定渗流和降雨入渗情况的计算分析,得出稳定状态的渗流可以近似采用单相流模型来模拟,降雨入渗下的非稳定渗流问题采用水-气二相流模型来模拟更加符合实际。采用水-气二相流模型模拟得到水相、气相的流动状态,为定量研究孔隙气压力对入渗水流的影响提供了有效途径。     

非饱和渗流随机模型中水力要素的随机特性研究

为了分析非饱和渗流水力要素的随机特性,将土壤的水力特性参数作为随机空间函数,运用Karhunen-Loeve展开和摄动方法,对二维非饱和渗流进行随机数值模拟。研究结果表明:土壤越干燥,负压水头和含水率的变异性越大;Gardner-Russo模型中的m值越小,含水率的变异性越大;负压水头、含水率及达西流速的变异性对土壤质地的粗糙程度比较敏感;土壤介质的各向异性降低垂向达西流速的变异性。非饱和渗流的随机理论尚待进一步的研究和完善。