高饱和度非饱和土一维固结解析解及其应用

高饱和度非饱和土存在于大坝(或路堤)高含水率的压实土.高饱和度非饱和土中气相主要以封闭气泡形式存于孔隙水中,并随水一起流动.假设高饱和度非饱和土为具有可压缩流体的两相土,考虑水气混合物的压缩性,建立高饱和度非饱和土排水固结方程,获得一维解析解.研究了高饱和度非饱和土的孔压系数、高饱和度非饱和土的排水固结特性及其与饱和土的区别,分析了初始饱和度和初始荷载对高饱和度非饱和土固结特性及其瞬时压缩沉降量的影响.     

非饱和土二、三维固结方程简化计算方法

针对非饱和土的固结问题的复杂性,为了计算的简化,将非饱和土固结分为3个阶段:初期压密、气压消散和水压消散。假定前两个阶段是瞬间完成的,其后独立考虑水压的消散。分别建立3个阶段的二、三维控制方程,以计算各阶段的气压、水压、骨架应力、相应的土体变形和水量变化。算例的计算结果表明本文方法简便、实用。该简化方法主要适用于饱和度不太高的非饱和土,而对饱和度较高的非饱和土,由于气压消散过程较长,不宜采用。     

雨水入渗作用下非饱和土边坡的稳定性分析

基于非饱和土理论，针对南水北调中线工程河南段某一黄土高边坡，利用有限元方法和极限平衡理论研究了雨水入渗作用下土体的渗透性、抗剪强度及坡顶垂直裂缝对边坡稳定性的影响。分析表明，在雨水渗作用下，边坡土体的渗透性对边坡稳定性的影响较大。在降雨强度和降雨持续时间都相同的条件下，边坡的稳定安全系数随土体渗透系数的增大而减小。当边坡坡顶存在垂直裂缝时，在无雨水入渗的情况下，边坡的稳定安全系数随裂缝开展深度的增加变化并不明显，大约在10％左右；在雨水入渗下，边坡稳定安全系数随坡顶裂缝的发展明显下降。在分析非饱和土边坡的稳定性时，应该考虑基质吸力对抗剪强度的贡献。     

超固结非饱和土的弹塑性双面模型

为了研究超固结非饱和土具有的应变软化和剪胀等复杂的力学特性,在弹塑性理论框架内,将巴塞罗那基本模型(BBM)与一种可描述材料循环塑性的硬化法则相结合,建立一个在静态及循环荷载作用下超固结非饱和土的弹塑性双面模型。该模型含有一个边界面和一个加载面,二者在应力空间中随着加卸载进行演化。采用径向映射法则和移动的记忆中心原理来反映超固结非饱和土的循环塑性特征。模型考虑了吸力和超固结的影响,在吸力等于零的时候退化为饱和黏性土的弹塑性双面模型;在无超固结且吸力不等于零的情况下退化为BBM模型。通过与相关静态试验数据的比较,所建模型可以较好地反映静态加载下超固结非饱和土的力学特征;此外,还利用模型对超固结非饱和土的动态力学特性进行了预测。     

某路基土非饱和固结试验及研究

路基土在非饱和条件下的强度特性研究对路基设计与施工具有较大的指导意义。为研究某路基土在不同干湿状态下的非饱和变形及强度特性,该文通过非饱和吸力控制及固结压缩试验研究了某路基土重塑样的非饱和性能。试验结果表明该路基土饱和膨胀变形很小;通过气相法对土样进行吸力控制得到不同吸力控制条件下土样的体变特征,土样随着吸力的增大孔隙比减小;基于非饱和压缩固结试验的到了不同吸力状态下土样的屈服应力,随着吸力从0增大到110 MPa 土的屈服应力从200 kPa增大到1．05 MPa;通过经典模型对实验结果进行了验证,结果表明本文非饱和路基土的压缩固结试验结果能通过Alonso等在1990年提出的非饱和土BBM模型来描述。     

基于非饱和土理论的引水渠道防渗设计

针对基于非饱和理论的引水渠道的防渗设计问题, 介绍了基于有限元法的分包和和土水模拟软件 SEEP/ W, 并用 SEEP/ W 对现场中典型的黄土区段的引水渠道进行了模拟。通过对比实测数据与室内试验数据, 对模型中风 积黄土的渗透系数函数及土水特征曲线进行了校正, 结果表明, SEEP/ W 可以很好的模拟引水渠道中所涉及的非 饱和土暂态流问题。在校正后的模型基础上, 针对引水渠道的渗漏问题, 提出了两种防渗方案: ( 1) 防渗层加灰土垫 层( 2 m 厚) ; ( 2) 防渗层加灰土垫层加渠底原土翻夯(3 m 厚) 。采用实验室所提供的防渗材料的参数, 耦合了应力 场及位移场对引水渠道进行了全面多工况的分析, 验证了两种防渗措施均能够有效减少引水渠道的渗漏, 而原土翻 夯对渠道的整体均匀受力有利。     

入渗条件下非饱和土壤水分运动的数值分析

本文给出模拟入渗条件下非饱和土壤水分运动的一种数值算法。算法基于差分离散、以在和校正两步计算完成一个时间段的求解。对两种容重的土的水平入渗进行了模拟分析，并检验了水分运动参数的灵敏性以及差分步长对模型结果的影响，与实测资料对比分析表明，数值分析方法对土壤水分运动的模拟是有效的、适用的。     

降雨作用下非饱和土边坡水力耦合过程分析

基于渗流理论、弹性理论及VG土-水特征曲线模型,建立了二维非饱和土渗流-变形耦合控制方程组。该控制方程突破了饱和时渗透系数是常数的局限,适用于任意初始条件和降雨条件的土坡稳定性分析。有限元软件COMSOL Multiphysics能根据已建好的非饱和土坡渗流-变形耦合模型开展分析。通过算例分析了非饱和土降雨入渗过程中渗流-变形的耦合效应,并探讨了考虑饱和渗透系数为变量情况以及不同的初始条件对渗流场和应力场的影响。结果表明:在非饱和土坡降雨入渗过程中渗流-变形的耦合效应是非常显著的,且与时间有关。对于湿陷性土,考虑耦合效应的压力水头变化总是慢于非耦合情况。饱和状态时渗透系数是应变的函数,其值的变化对非饱和土边坡渗流场有一定的影响,但对非饱和土边坡变形影响微弱。初始条件对渗流和变形的影响是非常大的。     

膨胀土渠道边坡降雨入渗和变形耦合分析

应用非饱和土简化固结理论，模拟枣阳膨胀土渠道边坡在人工降雨过程中孔隙压力变化和变形的发展过程，数值计算结果在定性上与实际观测资料一致。     

考虑渗气渗水函数的非饱和土固结性状研究

大坝蓄水所引起的水环境变化会诱发其周边建筑物地基产生显著的沉降变形,要合理预测其沉降过程,则需研究非饱和土地基的固结性状。为此,基于混合物理论,在非饱和土的水、气两相渗流-变形耦合方程组中,采用离散线性化的方法引入了渗气渗水函数和持水曲线方程,给出了考虑渗气渗水系数比值变化的一维固结微分方程组,进而采用积分变换方法求得非饱和土层孔隙水、气压力消散及其沉降变形的解析解。最后,选取水、气相互连通的非饱和土层典型算例,通过与已有文献所述未考虑渗气渗水系数比值变化的解析解、有限差分解的计算结果对比发现:本文解析解因考虑了水、气渗流相互作用对非饱和土固结过程的影响,故其计算的孔隙水、气压力消散曲线与沉降变形曲线较已有文献解析解更接近于有限差分解的计算曲线。     

非饱和低渗透黏土非线性渗流定律与固结

该文分析了渗流实验结果,得出:非饱和低渗透黏土渗流遵循具起始水力梯度的非线性渗流定律.考虑到在非饱和黏土中气相在含水饱和度大于90%时不能独立运动,基于该非线性渗流定律,分别建立了非饱和黏土定流量单向非线性渗流、定压单向非线性渗流、定流量径向非线性渗流固结数学模型.以黏性边界层思想,构造出了上述数学模型解的结构,以积分方程法,导出了非饱和低渗透黏土非线性渗流平均质量守恒方程、活动边界运动方程、压力分布与平均固结度计算公式.进行了实例计算分析,结果表明:与线性渗流相比,非线性渗流使黏土层同一位置处的无量纲超孔隙水压力增大,使非饱和低渗透黏土固结活动边界运动速度减小、使定流量单向渗流平均固结度增大.该文结果可用于非饱和低渗透黏土地质工程与岩土工程等领域.达西渗流固结计算是具有起始水力梯度的非线性渗流固结计算的特例.     

非饱和土的渗透系数

非饱和土的渗透系数是分析水分和物质迁移的重要参数,直接测量非饱和土渗透系数的代价较高,且直接测量的精度较差,因此间接估算非饱和土渗透系数成为很好的选择。分形理论适合用来描述多孔介质的结构和透水性。本文建立了土体孔隙分布的分形模型,导出用分维和进气值表示的水分特征曲线和渗透系数的理论表达式。与实验结果的比较表明,用分形模型计算得到的水分特征曲线和渗透系数与试验结果一致。     

考虑多层非饱和土降雨入渗的边坡稳定性分析

降雨是诱发滑坡的最主要因素之一,降雨入渗将显著降低非饱和土的基质吸力,从而降低边坡土体抗滑力。本文提出了考虑降雨入渗的多层非饱和土边坡稳定性分析方法。首先改进Green-Ampt入渗模型,提出适合多层非饱和土边坡降雨入渗的计算方法;然后得到各层土体在入渗各阶段的强度参数值;最后,采用强度折减法计算整个边坡在入渗条件下的安全系数。将本方法应用于广州大夫山滑坡案例发现滑动面和实际情况接近,为短期强降雨诱发的浅层滑坡。分析了不同降雨强度和历时对滑坡稳定性的影响,结果表明:降雨入渗导致边坡潜在最危险滑面的位置主要在浸润锋处或土体与基岩交界处。低强度长历时的降雨过程中,雨水入渗深度较大,易发生深层滑动;在高强度短历时的降雨过程中,雨水入渗深度较小,更易发生浅层滑动;随着降雨强度和降雨时间的增加,入渗深度增加,进而降低边坡的稳定性。     

影响非饱和土渠床入渗能力主导因素的试验研究

基于非饱和土壤有压入渗试验,研究了影响非饱和土壤水分有压积水入渗能力的主要因素。试验结果表明,有压积水入渗条件下,土壤入渗能力不仅受土壤基本物理特性(土壤质地、干容重和土壤含水量等)的影响,还受积水入渗水头的影响;在影响非饱和土渠床入渗能力的各因素中,干容重的影响最为明显,土壤质地的影响次之,积水入渗水头最弱。研究成果可为非饱和土渠床渗漏损失水量的数值计算模型提供参考。     

软土次固结变形特性试验研究

在侧限高压固结仪上，对3种软土进行了不同固结压力、不同加荷比下的一维固结试验，试验结果表明：保持加荷比为1进行加荷时，次固结系数随固结压力的增大呈先增大后减小的趋势。加荷比较小时，次固结系数较小。加荷比对主、次固结界限的划分有影响。次固结系数与压缩指数的比值，在减小加荷比加载时有所减小。在对试验数据进行分析的基础上，提出一个次固结系数与固结压力的函数关系，可由已知数据推求其他荷载下的次固结系数，并采用其他学者的试验结果对该函数关系进行了验证。试验结论对工程实际可起到一定的指导作用。     

降雨入渗与蒸发过程中非饱和土边坡土体吸力

讨论了非饱和土边坡在入渗、蒸发条件下的三类边界条件表达形式.将公路填方和挖方路基边坡作为典型算例,研究了入渗、蒸发交替作用下非饱和土边坡内吸力的变化.指出非饱和土边坡近坡面土体吸力主要受入渗、蒸发条件控制,而深层土体吸力主要受重力及地下水条件控制.     

非饱和土壤中氮素运移与转化试验及其数值模拟

本文在室内试验的基础上，提出了考虑土壤吸附作用时非饱和土壤溶液中ＮＨ＋４－Ｎ浓度的计算方法，并对氮肥（碳铵：ＮＨ４ＨＣＯ３）在非饱和土壤中的运移与转化过程进行了数值模拟．