基于改进积分型Richards方程的区域地下水饱和-非饱和水流耦合模型

非饱和带水力参数强烈的非线性使得其数值模拟要求有较小的时间步长和空间网格,且模拟效率会受到边界条件的强烈影响,因此采用传统方法模拟区域饱和-非饱和地下水运动的成本非常高.针对该问题,将基于改进积分型Richards方程的1维非饱和水流模型同3维地下水模型相结合,建立耦合模型.非饱和带以含水量为变量,通过分离压力和水力参数变化对含水量空间变化的影响,提出了改进的积分型Richards方程模型,将该模型扩展于非均质土壤;应用控制体积有限元法建立3维地下水模型;通过2个模型的共有节点建立耦合.运用该耦合模型模拟了不同条件下的地下水流运动,并与软件Hydrus的计算结果进行了对比,两者间具有很好的一致性.本模型充分利用了积分型Richards方程的优势,可以更高效地模拟包含大气边界的区域地下水运动问题.     

确定非均匀土层自由场地震动二维简化模型

研究了非均匀土层自由场地震动的二维简化模型.取非均匀土层剪切模量沿深度按幂函数变化(G=G0zp,其中G0和p为常数).首先,利用弹性波动理论,得到土介质的二维波动方程;再采用分离变量法来求解该方程,根据波的衰减特性确定波沿水平方向衰减系数,得到水平分量的解析解;然后,将水平分量的解析解带入原二维波动方程组中,将原二维波动方程组转化为一维形式.再利用MATLAB计算软件计算出其数值解;最后,通过具体算例,分别对研究的二维简化模型与一维剪切梁模型进行比较.     

地表径流与地下渗流耦合的水动力数学模型

深入研究暴雨作用下地表径流与地下渗流过程,对山洪与滑坡灾害防治意义重大.然而,迄今为止对地表与地下水流的相互作用机制的理解还极为有限.基于地表完整一维浅水动力学方程与地下二维饱和-非饱和渗流方程,建立地表径流与地下渗流耦合水动力数学模型,并分别运用WAF-TVD二阶数值格式和ADI法进行离散求解.与现有实验数据比较,结果表明该模型能更好地模拟坡地的降雨产流和下渗过程.该计算模型具有健全的物理机制,将为深入研究地表-地下水流运动过程提供理论基础,有助于增强山洪与滑坡风险预测的可靠性.     

基于随机配点法的饱和-非饱和水流运动模拟

为解决土壤水分运动的不确定性问题,研究了随机配点方法,并应用此方法建立了饱和-非饱和水分运动的随机模型,考虑了土壤分层及参数分布函数的差异,视渗透系数等参数为随机输入,探讨了土壤中水分运动的随机数值模拟,分析了随机配点法的计算性能和选点原则。研究结果表明:基于随机配点法的饱和-非饱和水分运动模拟相比于传统的Monte Carlo模拟极大地节省了计算成本,提高了计算效率;随机配点法可以直接在经典非饱和模型基础上搭建随机模型,这种方法能够快速地构建出水头的概率分布函数;不同的非饱和输入参数对水头的不确定性产生不同影响;随机参数的分布类型会影响到水分运动不确定性的预测。     

双层饱和弹性土中埋置弹性桩的扭转振动

为研究双层饱和地基中埋置弹性圆桩的扭转振动响应.考虑低频荷载下弹性桩符合一维弹性模型,而饱和土体符合Biot三维饱和弹性介质理论.基于虚拟桩模型,桩-土体系被离散为一连续的饱和半空间双层地基及一虚拟桩模型.土体的控制方程在Hankel变换域内进行求解.虚拟桩的动力方程结合桩土间应力及位移协调条件,得到关于虚拟桩内力的第二类Fredholm积分方程,离散积分方程求解得到虚拟桩内力的数值解.通过进一步计算可得到原弹性桩的内力及位移.数值计算部分考虑了土体各参数对于问题的影响.     

异重流非饱和非均匀沙含沙量的沿程分布规律

从悬移质运动一般扩散方程出发 ,考虑到异重流沿程不断淤积 ,含沙量不断变化 ,而且粒径沿程也不断细化 ,通过简化方程 ,推导出一维非饱和非均匀沙异重流含沙量的沿程分布方程式 .通过水槽实验资料和实测资料验证 ,认为公式与实际符合较好     

土水特征曲线为直线的非饱和土一维固结计算

基于Bishop有效应力原理,将土水特征曲线与固结方程相结合,提出土水特征曲线为简单直线型的非饱和土一维固结的计算方法.假定土体固结分为2个阶段:第一阶段为不排水、不排气阶段,土体的变形只是因为气体压缩所引起的;第二阶段为排水、排气阶段,土体的变形是因为孔隙水和孔隙气的排出而引起的.在此过程的基础上,建立并求解非饱和土一维固结方程,分析影响非饱和土一维固结的因素.影响非饱和土一维固结速率的最重要因素是孔隙流体的渗流路径.在相同边界条件下,非饱和土固结过程与饱和土固结过程中孔隙流体压力沿深度的分布随时间的变化规律相同.     

横观各向同性饱和土中埋置弹性桩的扭转振动

通过解析方法研究了横观各向同性饱和土体中弹性桩的扭转振动响应问题. 土体和弹性桩体系被分解为横观各向同性饱和土及被视作土体加强体的虚拟桩部分,土体符合Biot三维饱和弹性介质理论,弹性桩被视为一维弹性长杆. 运用Hankel变换求解了横观各向同性饱和土体的动力控制方程,结合桩土间复合边界条件,得到关于桩身内力沿桩长分布的第二类Fredholm积分方程.利用数值的方法对方程进行求解,得出应力沿桩身的分布,并可进一步得到桩的位移沿深度的分布. 数值计算表明,土体的横观各向同性参数及荷载频率对弹性桩的振动影响显著.     

土体冻结过程水分迁移模型的建立与反演

目的为了量化的研究土中水分在冻结过程中的迁移,提出融化过程中水分迁移模型．方法假定非饱和土中水分在冻结过程中主要以水汽扩散的形式发生迁移,在此过程中液态水通过转化为水汽参加迁移．结合室内试验数据,设定冻结锋面以下土层中水汽浓度方程,建立浓度-深度随冻结锋面发展的移动坐标系．为考虑温度梯度的影响,在Fick定律公式的右边乘上温度梯度,得到了修正的非饱和土Fick定律,据此建立了冻结过程的水分迁移模型,编写了计算程序．结果以试验获得的含水量沿深度方向的分布曲线为目标,利用遗传算法反演了模型中的未知参数．把冻结模型的参数代入假设方程中,得到了冻结锋面下部土层中水汽浓度的方程．结论将反演得到的参数带到迁移模型里,计算得到的含水量沿深度方向的分布曲线和试验得到的曲线吻合得较好,说明模型是实际可用的．     

同规格货物装箱问题的优化计算

讨论了相同规格货物的装载问题,给出一种模型简单、计算量小的优化算法,将三维装载问题转化为一维和二维相结合的装箱问题,降低了问题的复杂性.首先针对给定的集装箱空间,计算出沿高度方向的水平层的最优分布,即一维下料问题;再通过优化计算,求出水平层内货物的最优排列,将问题转化为二维裁剪问题.通过与文献报道算例的比较,表明该算法通过简单的计算过程就能达到预定的优化目的.     

饱和——非饱和三维瞬态渗流的高斯点有限元分析

本文提出了堤坝三维饱和——非饱和瞬态渗流有限元分析的一种新方法——高斯点法。本法是根据饱和——非饱和渗流规律建立的数学模型,将堤坝内饱和——非饱和区耦合在一起,构成整体的分析膜型,然后利用数值积分时高斯点处压力选取计算参数来进行单元刚度矩阵的计算,从而解决了单元内存在的非饱和渗透参数不同的问题。也解决了由于饱和区边界条件突变引起的计算不稳定问题。该法计算量小,迭代格式简单,算例表明了该法的有效性。     

CPTU确定饱和土体水平渗透系数的改进方法

目前采用的球面流或半球面流模型所预测的饱和土体渗透系数普遍低于实测值,为提高孔压静力触探(CPTU)测试技术确定饱和土体水平渗透系数的准确性,针对初始超孔隙水压力的分布形式、孔压过滤环的位置和渗流模型3个主要问题,在回顾前人方法基础上,提出一种基于CPTU确定饱和土体水平渗透系数kh的改进方法.根据已有研究成果,将锥肩附近初始超孔隙水压力视为负指数型衰减分布,结合圆柱面径向渗流模型,推导出饱和土体水平渗透系数的计算公式,应用算例验证了本文方法的合理性,再结合上海某地的实测数据,将本文方法与已有方法进行对比分析,研究结果显示:本文方法计算的渗透系数大于已有方法,更接近室内渗透试验的结果;CPTU测试技术可用于连续且快速地计算饱和土体水平渗透系数.     

非饱和土的黏弹塑性本构模型研究

非饱和土变形是随时间发展的,为了描述非饱和土随时间变化的长期变形行为,本文建立了非饱和土黏弹塑性模型.在已有的非饱和土率无关模型的基础上,考虑应变率对变形和强度影响,建立了一个非饱和土率相关的黏弹塑性模型.根据试验结果,应变率越大,屈服应力则越大,将屈服应力表示为应变率的函数,给出率相关影响的加载湿陷屈服面.利用一致性条件,给出了一维条件下非饱和土的增量方程.对模型进行数值分析,对模型基本行为进行预测.将模型退化饱和条件和率无关2种情形,利用已有的试验结果对模型进行了验证,结果表明模型可以用于预测非饱和土的蠕变行为.     

考虑Hansbo渗流时施工荷载下饱和黏土的一维固结

引入Hansbo渗流方程描述非Darcy渗流,考虑施工过程中荷载随时间的变化,修正了Terzaghi饱和黏土一维固结方程,建立了以有效应力为求解对象的非线性控制方程,并用有限体积法进行数值计算,讨论Hansbo渗流参数和施工速度对饱和黏土层固结特性的影响.计算结果表明:Hansbo渗流加剧了施工期孔压的累积,延缓了竣工后孔压的消散,地基的固结速度随Hansbo渗流参数增大而变慢,而施工速度仅对施工期和竣工初期的地基固结影响显著.     

Three-dimensional non-axisymmetric Lamb' s problem for saturated soil

Based on the integral transformation method with which the combinatory integral transform of the displacements and the combinatory integral transform of the stresses are presented, the three-dimensional (3-D) non-axisymmetric governing dynamic equation in the Biot's theory of two-phase medium is solved. Integral solutions with the soil skeleton displacements and pore pressure as the main unknown quantity are obtained. On the basis of this solution, a systematic study on Lamb' s problems for saturated soils is performed. Considering the case of drained surface and the case of undrained surface, the integral solutions for surface radial, vertical and circumferential direction displacements under the vertical surface force and horizontal surface force are obtained, which would be reduced to the solutions of the classical Lamb's problem. So, the correctness of the solutions would be verified. The numerical example indicates that the two-dimensional (2-D) model cannot be applied to 3-D problem accurately.     

非饱和双重孔隙介质的势函数本构方程及应用

为了分析复杂岩土工程多场多相耦合效应,需要建立非饱和双重孔隙介质的一般本构理论框架.把双重孔隙介质视为两个单重孔隙介质的嵌套叠加,利用各组分应变与孔隙变形之间的内在联系,从经典混合物理论出发推导了非饱和双重孔隙介质的能量守恒方程.通过功共轭对之间的力学性质建立了小应变条件下非饱和双重孔隙介质的一般势函数本构方程.作为一...     

2.5D有限元分析列车荷载引起非饱和土地面振动

为研究高速列车荷载引起非饱和土地面振动,将地基视为三相介质,开发非饱和地基2.5维有限单元方法.用Euler梁模型模拟轨道系统,对控制方程进行时间Fourier变换和轨道方向波数变换,结合边界条件和Galerkin法推导出频域内2.5维有限元方程,频域-波数域内解答通过快速Fourier逆变换得到时域-空间域结果,通过数值分析考察车速和路基饱和度对地面振动及超静孔隙水压力影响.结果表明:车速较低时,路基从近饱和到完全饱和轨道中心处地面竖向振动位移幅值显著增加;同一速度下非饱和路面加速度幅值大于饱和路面,其地面振动位移和加速度随时间更快衰减.同一车速下距轨道中心8 m处非饱和路基地面振动加速度峰值远大于饱和路基,车速超过300 km/h后两者地面振动位移幅值趋于相等.近轨道处地面振动幅值快速衰减,远轨道处衰减变慢.轨道中心下超静孔隙水压力分布深度为地表下0～4.5 m,最大峰值约在1.8 m,且随路基饱和度降低显著减少.     

Seepage Anisotropy of Heterogeneous Body

Ore dumps are heterogeneous bodies with anisotropic seepage characteristics because of the ore segregation.In an indoor experiment, a dump was constructed with three strata, where the horizontal and vertical seepage experiments were carried out.Horizontals flow are regarded as phreatic plan flows without penetration.Its seepage law satifies the Dupuit equation.With parallel lay seepage model, the equivalent seepage coefficient in the horizontal flow was obtained and was equivalent to the weighted mean of the seepage coefficient of each stratum.An unsaturated flow appeared in the vertical experiment, with a hydraulic gradient of 1.The vertical flow was equivalent to the seepage model that moved in vertical bedding; its equivalent seepage coefficient depended on the stratum with the minimum seepage coefficient.That the experiment showed clear anisotropy in a heterogeneous body was obvious with an anisotropic coefficient between 63 and 155, which is 25 to 100 times larger than that of a homogeneous body.     

Numerical Simulation of Interaction Between Tributary Debris Flow and Main River

Based on two-phase flow theory and shallow water flow assumption,a mathematical model is applied to simulate debris flow.The model considers a two-phase mixture of sediments and water fluid.Assuming that the sediments and the water fluid move downstream with the same velocity,the flow of the mixture is described using a two dimensional depth averaged model with a unique 2-D momentum equation and two mass balance e- quations for the mixture and the sediments,respectively.The finite volume method is used for the iterative so- lution of the mathematical model,and upwind schemes (Roe's approximate Riemann solver or Van Leer's flux splitting) are used to compute convection fluxes.The pressure-velocity coupling is obtained from the combina- tion of the continuity equation and the equations of momentum by the SIMPLE algorithm.