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。     

降雨入渗条件下抗滑桩加固边坡稳定性分析

采用有限差分软件FLAC~(3D)内置FISH语言编制相关程序,将边坡非饱和区渗透系数和基质吸力随饱和度的变化关系嵌入到数值计算中,实现了降雨入渗条件下边坡非饱和渗流过程的模拟,结合基于Fredlund双应力状态变量理论的强度折减法,进一步实现了非饱和边坡的稳定性分析。基于某典型抗滑桩加固边坡算例建立数值计算模型,研究了降雨入渗对边坡孔隙水压力分布及边坡稳定性的影响,并对降雨强度、基质吸力及桩顶约束形式对边坡稳定性的影响进行了参数分析。研究结果表明:降雨入渗条件下,随降雨历时增加,湿润锋线不断向坡体内部推进,基质吸力明显减小,边坡安全系数显著降低;边坡安全系数随降雨强度增大而减小,当降雨强度超过土体饱和渗透系数后,边坡安全系数随降雨强度变化不大,并趋于稳定;基质吸力对边坡稳定影响显著,考虑基质吸力时边坡安全系数明显提高;在桩顶设置预应力锚索可使桩身位移明显减小,边坡安全系数提高。     

降雨触发不同级配堆积体滑坡模型试验研究

深入研究降雨条件下堆积体坡失稳规律对滑坡预测预报和防灾减灾具有重要的理论意义和工程实用价值。开发研制了降雨滑坡室内模型试验系统,对3种配制的堆积体土样进行了模型试验。研究了降雨条件下堆积体土坡的渗流、变形、破坏和颗粒运移的规律,探讨颗粒级配对堆积体土坡稳定性的影响。结果表明:坡内土体体积含水率、孔隙水压力和吸力随降雨历程响应明确;湿润锋到达后体积含水率和孔隙水压力持续增加而吸力持续减小,达到峰值后稳定;降雨停止后体积含水率和孔隙水压力立即降低而吸力逐渐增大。坡体破坏瞬时土体位移有一个加速过程。颗粒级配(含石量)对土坡破坏模式具有显著的影响;堆积体含石量为13%,19%,41%的土坡破坏模式分别为多级后退式破坏、冲蚀引起的局部浅层滑动破坏和块状滑动破坏;含石量越小,滑裂面越明显;含石量对细颗粒流失也有影响,含石量越大细颗粒流失越显著,坡脚细颗粒含量越大。     

间歇式降雨对沅麻盆地红层滑坡的影响分析

沅麻盆地红层边坡具有岩层倾角小和所处边坡坡角小的特点,天然状态下处于相对稳定状态。水对红砂岩的力学性质有着很大的影响,降雨的入渗会引起边坡内土层饱和重度上升和基质吸力下降,在裂隙中产生的水头会对坡体有平推力。为了研究降雨对边坡稳定性的时间-空间效应,通过现场勘察沅麻盆地地区已有滑坡,采取数值模拟等手段进行定性和定量分析,还原大华坪滑坡的全过程,并对不同强度下前期降雨和后期降雨对边坡的作用进行对比分析。结果表明：前期降雨影响体现在入渗后引起的基质吸力降低和裂隙中水压不断上升,安全系数不断下降但未能达到滑坡临界值,停雨后边坡安全系数的回升具有滞后性,前期降雨量越小滞后性越明显;后期降雨影响体现在降雨量越大,更容易形成表面渗流,增大了下滑力。如果原有裂隙中存在积水,则坡体停雨阶段的安全系数变化比较缓慢。     

膨胀土边坡渗流数值模拟及稳定性分析

采用有限元软件(Seep/W和Slope/W)开展一系列瞬态渗流和极限平衡分析,研究不同降雨强度与历时对膨胀土边坡渗流场的影响,分析降雨强度及历时、不同坡比和坡高等因素对边坡稳定性的影响,分析其浅层破坏的原因。结果表明:必须考虑风化裂隙导致浅表层土体渗透系数增大对膨胀土边坡渗流场的影响;降雨强度及历时对边坡土体孔隙水压力分布影响显著,相同降雨强度条件下,历时越长,影响深度越深、范围越大,孔隙水压力变化越大;相同历时条件下,持续降雨强度越小,影响深度越浅、范围越小,孔隙水压力变化越小;安全系数随降雨强度的增大,其下降速率越快,达到破坏所需的时间越短;边坡浅层达到饱和时,坡高及设置平台对边坡安全系数影响不大,均发生浅层破坏;安全系数随坡率的增大而增大,但对某些膨胀土边坡而言,采用放缓坡率的做法并不可取。     

膨胀土土水特征曲线的覆土压力效应研究

为研究膨胀土的应力状态对其持水特性和变形特征的影响,以南阳膨胀土为对象,模拟不同一维覆土压力(0,40,100,200 kPa)下膨胀土的土体水分特征,提出考虑覆土压力效应的土–水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)模型并探讨方程拟合过程。结果表明:(1)各覆土压力下南阳膨胀土含水率随基质吸力呈规律性变化并表现出"双峰"形态,膨胀土持水量随覆土压力的增大而减少,200 kPa覆土压力下边界效应段II显著延长。(2)土体孔隙比均随覆土压力和基质吸力的增大而减小,覆土压力引起的孔隙比降幅是基质吸力引起的孔隙比降幅的2.12倍,应力作用下孔隙体积变化规律由覆土压力导致的粒间孔隙失水占主导地位。(3)基于分段思想改进双峰Fredlund-Xing方程,对南阳膨胀土实测数据进行曲线拟合,拟合参数a_1和n_1能有效反映不同覆土压力下SWCC1的特征点及特征吸力域的变化规律;对于SWCC2,覆土压力的影响减弱,各参数与覆土压力关系不显著。研究可为定量表征膨胀土的水力–力学耦合效应和双峰SWCC模型的建立提供参考。     

降低滑坡地下水位的充气截排水法最佳充气压力研究

 充气截排水技术拟在潜在滑坡后缘或长边坡坡体上进行充气,在后缘来水路径上形成非饱和区,截断后缘汇水或减少后缘水流向坡体内的入渗,从而降低坡体内的地下水位,提高边坡的稳定性。为了探讨充气气压对充气截排水效果的影响,通过二维数值模型对不同气压下坡体水位变化进行分析,并通过物理模型试验对数值模拟结果进行验证,得出如下结论：在坡体中充气能显著降低坡体地下水位,截流减渗效果明显;对于特定坡体,存在与之对应的截排水起始充气压力和最佳充气压力;只有当充气压力大于截排水起始充气压力时,充气截排水才有效果,坡体前缘水位才会下降;当充气压力介于起始充气压力和最佳充气压力之间时,随着气压的增大,坡体前缘水位不断降低,充气截排水效果随气压增大而增大;当充气压力大于最佳充气压力时,充气截排水效果随气压增大而减小。     

降雨与库水位变动下堆积体滑坡稳定性分析

库水位变化、暴雨骤降等环境因素是引起库岸边坡失稳的重要因素,针对金沙江库岸付家坪子滑坡,采用有限元软件Geo-Studio,分析库水位变化、降雨及其共同作用等环境因素对岸坡稳定性的影响规律。结果表明:在一个库水位调度周期内,付家坪子滑坡的最危险时刻为库水调度下降至540 m时(5月),整体滑坡欠稳定,最不稳定的位置是滑坡前缘;在库水位调度周期内滑坡安全系数变化与库水位变化趋势基本一致,库水位不变时,地下水位线上升导致岩土力学参数降低,安全系数减小;库水位上升时,库水入渗产生渗流力和对岸坡的静水压力,大于滑坡前缘被淹没后产生的浮托力,安全系数增大。随着库水位的降低,滑坡体的稳定性下降,说明坡内的渗流力和滑坡前缘所受的库水压力起主导作用。     

降雨强度对非饱和土质边坡影响的研究

为研究降雨强度对非饱和土质边坡的影响,基于广州市某地铁车辆段土质边坡为背景,分析了不同降雨强度下边坡滑面位置、孔隙水压力、安全系数的变化规律。结果表明,随着降雨强度的增大,滑面位置变浅、孔隙水压力增大、安全系数减少,边坡支护设计时应考虑降雨强度的影响。     

考虑土体强度随深度变化的土坡稳定性研究

自然界中土体强度随深度变化情况普遍存在。通过数值方法对2层黏性土坡的稳定性进行了模拟,重点分析了土体强度随深度变化以及土层厚度对土坡安全系数和失稳滑动面位置的影响。结果表明,与采用上下土层性质平均值的均质土坡相比,考虑土体强度随深度变化的土坡安全系数更小;此外,土层厚度对土坡滑动面的位置具有重要影响,当上层土层厚度小于坡高,随着土体强度系数k的增大,滑动面出口向坡脚移动,入口向坡肩移动。     

预测压气法隧道施工中的漏气量的模型研究

在阐述压气法隧道施工原理的基础上,建立了水–气二相流模型来模拟压气法隧道施工过程中超压空气驱替隧道周围土体的孔隙水的水–气二相流过程。该模型同时考虑了土体中气相和水相的流动以及水相和气相相互作用的影响,比较符合水–气二相渗流过程的物理意义。通过工程算例,计算出不同施工进度下开挖面和隧道混凝土衬砌上的空气损失速率以及空气入流对隧道周围土体渗流场的影响,结果表明:在均质的地质条件下,开挖面上的漏气速率一般为常数,而衬砌上的漏气速率将随着隧道长度的增加而线性增大。最后,提出了利用水–气二相流模型进一步提高压气法隧道施工的漏气量的数值模拟精度,需要深入研究的两点意见。     

土体含水率和吸力量测及其对边坡稳定性的影响

为研究暴雨诱发滑坡的机理 ,在香港进行了一次大型人工边坡试验。通过检查该边坡坡顶在 2 0 0 1年 6月至 2 0 0 1年 12月期间含水率和吸力与每天及每小时降雨变化曲线 ,及含水率和吸力随深度变化曲线 ,看到在雨季含水率和吸力变化或者“浸湿前锋”移动通常发生在边坡土体以上 3m以内 ,而且 ,在 2 0 0 1年的一次最大暴雨中在边坡土体 1～ 2m之内形成了瞬时地下水位。另外 ,还看到在2 0 0 1年旱季由于蒸发在边坡土体中形成了“干燥前锋”。通过对边坡开挖之前的自然边坡的稳定性分析 ,降雨入渗可以使边坡土体的安全系数急剧降低而蒸发则可以使边坡土体的安全系数缓慢升高。雨季含水率和吸力的浅层变化或者“浸湿前锋”的浅层移动可解释为何香港地区在暴雨期间极易发生浅层滑坡。而旱季由于蒸发形成的“干燥前锋”可说明吸力对非饱和土边坡抗剪强度的提高     

水位骤降对边坡稳定性影响的模型试验及数值模拟研究

自然或人工边坡的稳定性研究是当前岩土工程研究领域的热点问题之一。随着三峡等大型水利设施的兴建和投入使用,水位骤降对边坡稳定性影响也引起人们的广泛关注。通过室内模型试验研究水位骤降引发临水边坡滑坡的原因及失稳模式是经济、便捷的常用方法。本试验模型箱的尺寸为2.5m×1.5m×1.5m(长×宽×高),边坡高度为1.05m。边坡体内埋设了10只土压力盒和7只渗压计,用于测量水位骤降过程中土压力和孔隙水压力的变化情况,记录边坡失稳破坏过程中土体内部的变化过程。同时,利用geo-slope软件模拟边坡失稳破坏的整个过程,并且利用数值模拟的结果与试验结果进行对比分析,解释边坡破坏的机理。试验结果表明:水位骤降对边坡稳定性产生很大影响,水位下降速度越快,边坡沉降也就越大,最后形成明显的位移集中区域;边坡的安全系数分别随着水位高程的减小、水位下降时间的增加出现增加最后趋于稳定;在此土质、坡形条件下的边坡破坏的形态与数值模拟所得8min时滑动面的形态相吻合,据此也用试验验证了数值模拟的可靠性。     

Monotonic and Cyclic Behavior of Unsaturated Sandy Soil Under Drained and Fully Undrained Conditions

Changes in air pressure during monotonic and cyclic loading are in some cases important for the behavior of unsaturated soil. For example, in order to investigate the stability of embankments and slope failure during earthquakes, it is necessary to consider the effect of the pore air or the pore gas pressure as well as the pore water pressure and the interaction between the soil and the pore fluids. In the present study, we carried out a series of monotonic and cyclic loading tests on sandy soil used for the improvement of river embankments. The effects of the initial suction, the confining pressure, and the degree of compaction under fully undrained conditions, namely, constant water and constant air shearing tests, as well as under drained conditions for both air and water, were studied. For the stress variables of the unsaturated soil, the skeleton stress was used to describe the experimental results and was defined as the difference between the total stress tensor and the average pore pressure of water and gas (Oka et al., 2010). From the monotonic and cyclic test results, we found that the stress-strain behavior of unsaturated sandy soil strongly depends on the initial suction, especially under fully undrained conditions, due to the difference in pore pressures. In the cyclic loading tests under fully undrained conditions, the mean skeleton stress decreased due to the increase in air pressure and led to the failure of the specimen in the case of a lower level of initial suction. In addition, the test results exhibited the strain rate effect on the stress-strain behavior during cyclic loading under fully undrained conditions.     

水位骤降对边坡稳定性影响的模型试验研究

 自然界中存在着大量的临水边坡,比如河岸、海堤、土石坝、水库库岸以及湖岸等,边坡外水位的骤降极易诱发此类临水边坡的滑坡。通过大型模型试验研究水位骤降引致临水边坡滑坡的原因及失稳模式。模型边坡的尺寸为15 m×5 m×6 m(长×宽×高),边坡部分的高度为4 m。在试验中,通过水位控制系统实现坡外水位的骤降,利用数码摄像、高精度传感器、侧面示踪点等仪器设备详细记录水位骤降过程中边坡内的孔隙水压力、土水总压力,滑动面形态及坡面裂缝的形成和发展过程,揭示水位骤降引致边坡失稳的原因及失稳模式。试验结果表明,坡外水位骤降时,坡内水位的下降速度显著滞后于坡外,产生指向坡外的渗流,是滑坡产生的重要原因;松散填土边坡的失稳模式为有多重滑面的牵引破坏模式。该研究结果有助于深入认识水位骤降引致滑坡的机制,可为治理此类滑坡提供科学依据。     

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。     

基于TOUGH2和FLAC3D的水-气二相流-固耦合模型

要实现饱和-非饱和土体的水-气二相流-固耦合作用的数值模拟,关键是如何实现渗流场与应力场的耦合,目前,松弛耦合方法不仅精度能够满足一般的工程要求,而且求解方法易于实现,是多相流-固耦合问题研究的主要方向。本研究根据松弛耦合原理,利用TOUGH2/EOS3来模拟水-气二相渗流过程;利用FLAC3D来模拟土体变形;基于水-气二相渗流过程与力学过程的相互影响,给出饱和度-密度、孔隙水压力和气压力-有效应力、体积应变-孔隙率、孔隙率-固有渗透率,以及孔隙率-毛细压力等状态变量之间的耦合关系式;利用C++控制TOUGH2、FLAC3D在流固耦合过程中的有序运行并利用耦合关系式传递相关状态变量,以实现对水-气二相流-固耦合作用的模拟。利用该模型对一现场压气试验进行模拟,通过模型计算值与实测值的对比,验证了模型的准确性和有效性。     

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。     

降雨条件下边坡入渗及稳定性分析

使用SWMS_2D模拟了降雨人渗条件下边坡含水量分布的变化过程,并将非饱和土体强度理论应用到强度折减法中,利用基于FLAC^2D的强度折减法对边坡稳定性进行了分析计算。以某公路边坡为例,模拟了不同时刻降雨人渗条件下的含水量分布,采用基于FLAC^2D的强度折减法进行计算,结果显示：降雨过程中边坡内土体含水量上升,非饱和土基质吸力减小,孔隙水压力值上升,边坡稳定安全系数明显降低,降雨结束1500min（25h）后边坡安全系数达最小为1．09。     

气压和温度变化共同作用下垃圾填埋场边坡稳定性研究

城市生活垃圾填埋场在高渗沥液水位情况下发生边坡失稳滑坡的工程事故已多次发生,初步分析认为滑坡由渗沥液水位、垃圾降解产气和温度升高等因素共同引起。目前尚未见考虑渗沥液水位、气压和温度共同影响填埋场边坡稳定性研究的报道。通过简化垃圾填埋场气压和温度分布的计算,利用瑞典条分法进行考虑渗沥液水位、气压和温度共同影响的填埋场边坡稳定性分析。计算结果表明:考虑气压和温度的影响使得填埋场边坡稳定安全系数降低24.7%～43.0%;建议在同时考虑渗沥液水位、气压和温度的影响进行填埋场边坡稳定分析时,控制最小安全系数大于1.0可保证填埋场安全运行。本研究可为垃圾填埋场的设计、施工和运行管理提供理论支撑。