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。     

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。     

含浅层强透水层堤基的上覆砂层管涌破坏试验研究

堤基中往往存在局部浅层强透水层并形成渗流优先通道,该通道不能大幅度削减流体的水头势能,易引起堤基管涌破坏,此类堤基管涌破坏机理的研究尚不明朗,仍需进一步研究。采用砂槽试验模拟堤基渗流,试验中通过抬升水箱水位,观察砂土中细颗粒流失现象,并分析渗流量、渗透坡降、测压管水头、砂土颗粒级配、锥头阻力、沉降量等关键参数。试验结果表明,水箱水位增大至48 cm,浅层强透水层上覆砂层被“击穿”发生管涌破坏,管涌破坏分为稳定渗流阶段、细颗粒流失阶段（0.05 < d ≤ 0.075粒级砂土流失）、较细颗粒流失阶段（0.075 < d ≤ 0.1粒级砂土流失）、管涌破坏扩大阶段（0.1 < d ≤ 0.25粒级砂土流失）。管涌破坏过程中,细颗粒砂土流失,锥头阻力降低,砂土层发生沉降,且较细颗粒流失阶段的沉降较为突出。细颗粒砂土流失导致砂土层孔隙率和渗透系数上升,渗流量和渗透坡降随之增大。     

起始水力梯度对真空预压下砂井地基固结过程的影响

针对粘土中孔隙水渗流存在起始水力梯度的现象,将考虑起始水力梯度的非Darcy渗流方程引入传统的砂井固结理论对其进行修正,并给出了真空预压下砂井地基固结近似解。探讨起始水力梯度对真空预压下砂井地基固结过程的影响,包括渗流前锋面的运动规律、孔隙水压力的分布变化规律和平均固结度的变化规律。结果表明,由于存在起始水力梯度,会延缓真空压力的传播,进而影响孔隙水的渗流和整个土层的固结速度。起始水力梯度越大,滞后现象越明显。此外,起始水力梯度的存在将使平均孔隙水压力逐渐趋于某一稳定值,但无法达到真空压力,所以最终平均固结度将小于100%,且其值随起始水力梯度的增大而减小。     

基于PFC-Geostudio耦合的边坡降雨变形破坏研究

为研究降雨条件下边坡的变形破坏情况,建立典型边坡模型,通过有限元软件Geostudio进行渗流分析,将不同降雨强度下的边坡土体的含水量情况导入至颗粒流方法中,根据颗粒位置修改其重度、及接触参数,并对渗流区域施加渗流力,当降雨强度大于边坡入渗速度时,增加考虑坡面径流对颗粒的拖曳作用,分析了不同降雨强度下边坡变形情况以及滑坡破坏过程。研究表明,发生降雨时,边坡变形主要为沉降,最大变形产生在坡顶位置;当降雨强度较大时,坡脚颗粒会由于冲刷作用发生滑动,并诱发后部边坡土体发生渐进式牵引式滑坡。     

双向拉伸与水流条件对反滤系统性能的影响

为研究双向拉伸及往复水流周期对土工织物反滤性能的影响,将不同双向拉伸率下的土工织物与连续级配土组成反滤系统,利用梯度比渗透仪测试系统研究反滤性能随拉伸率与往复水流周期的变化规律.试验结果表明:随着循环往复水流周期的减小,土体内部土颗粒流失增多;在循环往复水流作用下,土体内部产生水力梯度向边界集中的现象,且土工织物的双向拉伸作用会加剧这种水力梯度边界集中现象,反滤系统的渗透稳定性降低;随着双向拉伸率的增加,循环往复水流作用下的土工织物渗透性能增强而保土性能降低.     

考虑非Darcy渗流的砂井地基弹黏塑性固结分析

为进一步研究饱和软黏土的砂井固结机制,采用Hansbo渗流方程描述渗流速度与水力梯度之间的非线性关系,同时引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型描述土体的弹黏塑性变形,重新推导理想砂井地基固结方程,给出隐式有限差分法求解的离散格式,并编制相应的Fortran计算程序.通过与已有砂井地基非线性固结解析解的对比,证明了求解方法的有效性.随后,探讨UH模型参数及Hansbo渗流参数对砂井地基弹黏塑性固结的影响规律.结果表明:土体主、次固结耦合机制是引起固结初期超孔隙水压力升高的主要原因,而且土体的黏滞性和渗流的非达西特性延缓了固结中后期砂井地基中孔隙水压力的整体消散.另外,在流变固结后期,增大渗透指数将加快固结进程.     

松散土体中细颗粒运移的微观过程研究

自然界的松散土是泥石流、滑坡等灾害发生的重要物质之一,其结构的松散性和长期降雨渗流作用为细颗粒发生运移、形成内部侵蚀提供了空间和动力条件,颗粒大量流失和孔隙通道堵塞造成土体结构变化和稳定性下降,从而演变为滑坡或坍塌。渗透、水槽和人工降雨等试验方法对认识土体内部细颗粒运移的宏观特征具有重要作用,但无法直接分析孔隙通道内细颗粒分布、位移等随时间的变化特征。作者结合上海同步辐射光源3维CT技术,为获得拟静态下1维柱体渗流过程中细颗粒侵蚀形态特征,以不同粗细颗粒粒径之比为变量设计微观渗流试验,通过耦合离散元与Darcy流体方程计算分析整体和局部区域内细颗粒数量和平均动能的变化特征。结果表明:离散元与Darcy流耦合是计算土体内部细颗粒运移的有效手段。CT扫描和数值计算结果均表明土样入流口和出流口存在优先侵蚀现象。计算至2.5 s时,已分别有37.05%和31.95%细颗粒被侵蚀,其他位置侵蚀程度相对较低。在渗流方向上土体内部细颗粒存在流失补给平衡和逐渐侵蚀的现象,细颗粒的平均动能沿渗流方向总体呈逐渐增高的趋势。长期性堵塞形成过程中,细颗粒的平均动能呈现随时间逐渐降低的趋势;临时性堵塞区域内细颗粒数量的增加相对于此区域内细颗粒平均动能的增高存在滞后效应。微观尺度上土体内部细颗粒运移特征主要受流体状态和孔隙特征影响,其研究对于理解松散土坡体破坏机制具有重要价值。     

砂卵石地层盾构开挖面稳定性分析

分析了成都砂卵石地层工程地质和水文地质条件,通过大型三轴试验对砂卵石层力学特性进行了研究。针对砂卵石层粘聚力低、离散性强的特点,选用颗粒离散元法作为数值计算工具,通过对大型三轴试验的数值模拟,对砂卵石层的细观参数进行了标定。研究了支护压力对开挖面变形、地表沉降、开挖面的最大位移和土层应力的影响。研究结果表明：1）开挖面土体破坏形状和砂土的离心试验模型相符;2）当支护压力较小时,开挖面前方土体颗粒接触力很低,颗粒流动趋势明显,因此容易引起超挖,从而导致盾构施工后形成地层中的空洞;3）开挖面前的上方土体成拱作用明显,即使土层内部形成空洞也不会立刻引起地面塌陷,这是目前成都盾构施工引发地面滞后沉降的主要原因。     

流固耦合的多元结构深厚覆盖层透水地基的力学特性

深厚覆盖层多元结构坝基在渗流过程中各土层力学差异明显,分析时关注的具体问题也不尽相同,需要深入研究。基于比奥固结理论,考虑土体的非线性流变以及土体固结变形过程中孔隙度、渗透系数、弹性模量及泊松比的变化;借助ADINA流固耦合模块来模拟西藏达嘎水电站坝基渗流场与应力场耦合过程,分析各层力学特性及相互作用。研究表明,透水性较强的表层土体是渗流主要通道,也是渗流进出区和沉降变形体现区,应在上游采取措施提高其压缩模量,下游区域增设反滤层和排水设施;坝基中的粉细砂层是坝基沉降的主要原因,对坝基沉降起主导作用,同时应注意其液化特性对坝基的不利影响;坝基中的承压含水土层对下游上部结构产生向上顶托力,若位置较深,则破坏性较小;坝基深部土层对整个坝基的渗流破坏影响较小,但对沉降和渗流量的影响不可忽视;表层砂卵砾石层和粉细砂层的渗透系数相差较小时,土层间不会发生接触冲刷。此外,还发现坝基孔隙水压力在快速衰减阶段被消散,期间土体固结较快。垂直防渗墙能有效降低渗透坡降和渗流量,将坝基沉降变形控制在防渗墙上游区域,但上游坝基变形对防渗墙产生较大的水平推力,应加大防渗墙尺寸或者采用辅助渗控措施。     

铁路路基火山渣填料工程特性试验

为了解决天然火山渣难压实、检测指标低问题,采集现场火山渣试样,开展室内土工试验,分析天然火山渣多孔隙特征、矿物成分与物理力学性质;掺配粉土质砂后进行混合土现场填筑试验,讨论不同掺配比对改良火山渣填料工程特性影响规律. 研究表明：火山渣颗粒表面粗糙且内部多孔隙,其开口孔隙率与压碎率呈正相关,洛杉矶磨耗率<50.0%;细集料可以抑制改良土骨架颗粒破碎;改良火山渣材料K₃₀指标随细集料体积分数升高先增加后降低,契合骨架空隙、骨架密实及悬浮密实3种粗颗粒土体结构过渡形式,体积掺配比为4∶1~2∶1的改良土属泛骨架密实结构,在掺配比为2∶1时达到最优工程特性. 火山渣颗粒块体性好,硬度较高,掺配粉土质砂改良火山渣能显著提升其力学性能,建议采用颗粒间间隙率作为改良火山渣填料的现场压实控制指标.     

原状铁尾矿砂渗透特性试验研究

铁尾矿砂渗透特性是影响其坝体稳定性的重要因素之一。而渗透系数是表征其渗透性的重要指标。国内外学者均对渗透系数进行了广泛的研究,分别建立了相应渗透系数的计算公式。但这些公式多适用于粗粒土,其对铁尾矿砂的适用性尚不明确。因此,有必要对现有公式准确性进行验证,并建立适用于铁尾矿砂的渗透系数计算模型。通过室内变水头试验,从FC值、级配、粒径、比表面积和粉粒间孔隙比等多个角度出发,对铁尾矿砂原状样的渗透性质进行了分析。结果表明：原状铁尾矿砂的渗透系数受细粒含量影响明显,细粒含量的阀值在35%左右;应用传统渗透系数计算公式对原状铁尾矿砂渗透系数进行计算,结果并不准确;受细颗粒含量影响,原状铁尾矿砂的渗透系数与不均匀系数Cu、曲率系数Cc、平均粒径、加权平均粒径、体积比表面和粒间孔隙比es之间呈现明显的非线性关系,应用这些参数难以表征细粒含量较大时的渗透系数变化;但是,有效粒径和粉粒间孔隙比与原状铁尾矿砂的渗透系数呈现出了较好的相关性,据此建立铁尾矿砂渗透系数计算公式,其计算结果较为准确。这对陈坑尾矿坝的渗流场分析与稳定性计算具有一定意义。同时,所取尾矿砂试样主要为磁铁矿尾砂,这对类似铁尾砂渗透性计算也有一定借鉴意义。     

冻融饱和粉砂动力性能试验

在软土地区,例如上海,98%的地铁联络通道、地下泵房以及越江隧道采用冻结法施工,但土体的冻胀融沉对地下建筑及周围环境的影响显著.尽管冻土的物理、力学特性得到较多关注,关于饱和冻融土动力特性的研究还不是很充分.试验设计了制样-脱模装置和饱和-冻融方法,采用动三轴系统进行冻融饱和粉砂动力试验.结果表明:制样-脱模装置和冻融、饱和方法满足粉砂制样、冻融和饱和要求.重塑粉砂高度、体积冻胀率随温度降低而增大,原状粉砂规律不明显.轴向应变与动孔隙水压力密切相关,动孔隙水压力前期迅速增加,随后震荡调整,约275次附近出现峰值,随后下降并维持一个相对恒定值.冻结温度-30℃时,土样累积塑性变形最大,冻结温度-20℃时,土样累积塑性变形最小,-10℃取得中间值.总体上,累积塑性应变随振动频率增加而减小,围压增大、动应力幅值减少能显著减小粉砂的累积塑性变形.提出的改进Stewart半对数累积塑性变形模型可以预测冻融饱和粉砂的累积塑性变形.     

黄河山坪电站船闸地基渗控措施优化

建立黄河山坪电站船闸地基的有限元模型,采用有限单元法研究三维渗流场,对计算得到的水头、扬压力、渗透坡降以及渗透体积力等进行分析.针对防渗墙的防渗作用,讨论墙厚及墙体嵌入基岩深度的敏感性,为防渗墙优化设计提供参考.结果表明:设置防渗墙后,有效地降低了闸底板的扬压力,提高了地基的渗透稳定性;墙厚的变化,对墙体的渗透坡降有较大影响;墙底基岩的渗透坡降随墙体嵌入深度的增大而减小;设计院采用的防渗墙厚度60cm、嵌入基岩深度1m的方案是合理且经济的.此外,通过三维渗流场分析得到的渗透体积力,可为进一步研究地基应力、沉降变形、抗滑稳定以及在地震作用下含泥粉细砂可能发生的震动液化提供渗流荷载依据.     

南京江底盾构施工废弃砂土在同步注浆中再利用的适用性

依托南京长江新济洲供水廊道项目泥水盾构工程,针对江底粉细砂地层和岩石地层中泥水盾构施工产生的废弃砂土,研究其在盾构同步注浆材料中再利用的适用性。通过改变砂土地层弃砂的粒径分布,研究其对砂浆性能的影响;针对岩石地层产生的废弃砂土,研究其颗粒形状对砂浆性能的影响,并对岩层弃砂制备同步砂浆进行配比优化。结果表明：该工程砂土层弃砂可直接代替原配比中的砂进行再利用,岩层弃砂通过调整配比亦能满足工程要求;增大砂层弃砂细度模数和砂粒含量可改善砂浆的流动性,但砂土黏粒含量过大会使砂浆流动性变差、凝结时间缩短、强度降低;岩层弃砂颗粒表面越粗糙,所制备砂浆流动性越差,凝结时间越短。合适配比下,盾构施工废弃砂土可应用于同步注浆,砂浆配比应随废弃砂土粒径分布和颗粒形状的变化做出适当调整。     

堤基侵蚀型管涌的砂槽试验研究

堤基侵蚀型管涌是汛期堤防工程中常见的一种渗透变形现象,其发生完全位于堤基或坝体内部,通常不易被发现,难以及时采取相应措施予以控制。同时,随着侵蚀型管涌的发展,堤基进一步会产生不均匀沉降,最终威胁大坝的安全,因而其发展机理和破坏特性的研究一直是国内外研究的热点和难点。为探究堤基侵蚀型管涌的发生发展过程及破坏规律,通过引入多色填充砂示踪方法实现了对土样中填充细料颗粒运移的顺序和方向进行判别,从而更直观地揭示管涌发展过程。根据不同管涌土判别方法选取了三种间断级配的土样进行侵蚀型管涌双层堤基砂槽模型试验,并对现有管涌土判别方法的有效性进行了比较。同时考虑变水头条件和土料级配两种因素对管涌侵蚀结果的影响,分析“扰动”作用与管涌发展的关系。通过研究表明：侵蚀型管涌破坏始于管涌口周围的细料流失,随着渗透侵蚀的发展,细料起动和流失位置均逐渐向上游发展;侵蚀过程中细料的流失具有明显的渐进性,而细料起动可以发生在侵蚀范围之外;外部因素或渗流稳定因素造成的“扰动”作用对侵蚀型管涌过程具有促进作用。