空间链接器式多维通用饱和-非饱和流模型研究     

杨海  姜月华  周权平  杨辉  刘林 《水文地质工程地质》2020,47(5):31-42

多维饱和-非饱和流方程离散后生成的系数矩阵中常存在零系数，这将影响求解过程中的存储空间和计算效率。合理的系数矩阵优化方法既能保证模拟精度，又能提高模型在大规模网格单元中的计算效率及通用性。文章在多维饱和-非饱和流有限差分法基础上，预先记录不同方向上有效单元间的连接关系，避免了零系数的计算和存储，并结合矩阵标识法建立了空间链接器式多维通用饱和-非饱和流模型。通过模拟地下水位起涨、渗流面排水等四个经典案例及田间三场长历时小雨入渗过程，验证了该模型的模拟精度及计算效率。对比结果表明:该模型在多维度、不同边界条件（包括天然降雨、渗流面等）下的模拟精度与Hydrus、VSF等成熟软件相当，计算效率略低于Hydrus软件。田间模拟结果表明:VG模型中的参数n敏感性最强，需优先率定；因模型中尚未考虑大孔隙流影响，各层土壤水分响应时间滞后于实测过程；三场降雨计算时段末期，超过80%的入渗水量仍滞蓄在表层40 cm的土壤中，仅有约4%~12%的水量已转化为潜水。本文模型有望成为传统多维饱和-非饱和流模型的重要补充。  相似文献   

安哥拉Quelo砂场地非饱和渗流试验与计算   总被引：1，自引：1，他引：0       下载免费PDF全文

刘争宏  王华山  周远强  唐国艺  于永堂  刘智 《水文地质工程地质》2018,(4):74-79

在安哥拉某Quelo砂土场地开展了现场试坑浸水试验,实测了水在地基土中的渗透和消散过程;通过室内测试得到砂土的主要物理参数,采用改进的Kovács粒径方法估计土-水特征曲线,Van Genuchen模型估算渗透系数曲线,数值模拟了与现场试验情况相同的水渗透和消散过程;对比了实测结果和数值计算结果的异同。研究结果表明浸水条件下自由水面之下的砂土远未达到完全饱和,数值计算结果虽能较好反映浸水渗透的宏观规律以及停水后水的消散过程,但要较准确预测水的浸润范围,需要建立经验的“饱和体积含水率”取值方法,本砂土场地“饱和体积含水率”取对应饱和度65%的体积含水率较为适宜。  相似文献   

多年冻土活动层浅层包气带水-汽-热耦合运移规律   总被引：1，自引：0，他引：1  

张明礼  温智  董建华  王得楷  侯彦东  薛珂  杨晓宇  孙国栋 《岩土力学》2018,(2):561-570

活动层水热状态直接影响多年冻土和寒区工程的稳定性。已有研究大多基于附面层理论研究冻土温度场变化,较少研究液态水和水汽运移过程及其对冻土温度场的影响。结合多年冻土活动层包气带水-热耦合迁移的物理过程和内在机制,以温度和含水率为基本变量,建立了考虑液态水和水汽相变、水分对流传热和水汽运移的土壤-地表-大气能量平衡及土壤内部水热变化的耦合模型,分析了真实野外气象条件下活动层液态水和水汽运移规律。计算结果表明:白天温度梯度水分向土壤内部运移,夜间温度梯度水分向土壤表层运移;暖季温度梯度水分以向土壤内部运移为主,冷季温度梯度水分以向地表运移为主;就全年而言,活动层各个深度处水汽运移作用大于15%,水势梯度水汽运移极小可以忽略不计,特别是浅层土壤在无降雨状态下,水分运移以温度梯度水汽运移为主;水势梯度液态水通量受降雨影响明显,在降雨事件期间和之后,液态水和水汽下渗占主导地位,降雨降低表层土壤温度、减小土壤热传导通量,有利于土壤热稳定性。  相似文献   

水力滞回性对降雨入渗边坡稳定性的影响          下载免费PDF全文

孟庆成  王明  齐欣  魏鑫  张梦宇 《中国地质灾害与防治学报》2018,29(4):23-29

针对目前以土水特性曲线为基础的非饱和土研究不考虑水力滞回性的现状,笔者采用ABAQUS建立了降雨蒸发条件下非饱和土边坡模型,分别对考虑水力滞回性和不考虑水力滞回性的模型,进行了基于强度折减法的边坡稳定性的计算分析,并对比了每12小时孔隙水和坡脚位移的变化。结果发现:1）在降雨阶段,考虑了水力滞回性的模型基质吸力总是大于不考虑滞回性的模型,在降雨阶段减小的速度要小于不考虑滞回性的模型,且坡脚处位移较大,坡肩位移较小;2）在蒸发阶段,基质吸力相比不考虑滞回性的模型恢复速度更快。3）在降雨、蒸发过程结束后,基质吸力几乎是不考虑滞回性的模型的2倍,考虑水力滞回性对边坡坡脚的位移有很大的影响,尤其是在蒸发阶段,影响更加明显。分析表明:不考虑水力滞回性模型安全系数达到1.536,考虑了水力滞回性后安全系数为1.3625,不考虑水力滞回性导致所得的边坡安全系数偏高,低估了边坡的风险性。  相似文献   

土体龟裂力学机理及理论模型研究进展   总被引：1，自引：0，他引：1  

刘昌黎  唐朝生  孙凯强  李昊达  徐士康  冷挺 《工程地质学报》2018,26(2):296-308

土体龟裂是一种常见的自然现象,它对土体的物理力学性质有重要影响,是许多工程地质及环境地质问题的重要诱因。开展土体龟裂研究,探讨其形成机理并构建相应的理论模型,一直是本课题的研究重点和难点。根据近年来国内外围绕土体龟裂所取得的研究成果,着重对土体龟裂的力学机理及相关理论模型研究进展进行了归纳和总结,并依据各模型的理论基础及其特点进行了分类和评价,得到如下主要认识:学界关于龟裂的形成机理尚未有统一认识,主流观点认为龟裂是土体张拉破坏的一种表现形式,张拉应力和抗拉强度是控制龟裂形成的两个关键力学指标,但上述力学机理不能解释所有的土体龟裂现象。与土体龟裂相关的理论模型总体上可以分为4大类:（1）以断裂力学为理论基础的模型:代表性的有线弹性断裂力学模型、弹塑性断裂力学模型和基于线弹性断裂力学的有限元模型;（2）以张拉破坏为理论基础的模型:代表性的有线弹性力学模型、剪切破坏模型、弹性力学模型和黏性开裂模型;（3）以土体干缩变形过程为基础的含水率-体积变化模型;（4）以土体固结理论为基础的应力路径分析模型。在此基础上,进一步对各模型的适用条件及不足之处进行了评价。最后,笔者对该课题今后的研究重点和方向提出了建议,包括:蒸发过程中土体微观结构变化及微观力学分析;蒸发过程中孔隙水的迁移过程、分布特征及赋存状态研究;土体收缩研究;土体抗拉强度研究;裂隙发育宽度及深度预测理论模型研究;龟裂发育几何形态特征预测理论模型研究。  相似文献   

基于数据挖掘的土−水特征曲线演化规律研究     

陈勇  苏剑  曹玲  王力  王世梅 《岩土力学》2022,43(Z2):23-34

土−水特征曲线是非饱和土持水性能和水气运移规律的重要表征,由于其测试过程繁杂、影响因素众多,很难通过系列试验和数学模型全面表达。为探索土的类型和物理状态对土−水特征曲线的影响,以国内外大量试验数据为基础,以反映其形态的3个特征值（进气值、减湿率、残余含水率）为对象,采用数据分析统计方法揭示不同赋存条件对特征值的作用规律,采用机器学习方法探究影响因素的敏感性。研究结果表明：土体的物质组成（颗粒级配、粒径尺度、塑性指数）及赋存状态（密实程度、饱和含水率、干湿循环作用、环境温度）是影响其持水性能的常见分析指标,各影响因素对3个特征值的影响特征既有巨大差异也有相互联系,敏感性成果表明代表黏粒含量的塑性指数和反映密实程度的干密度是影响土体持水性能的最主导因素,给出的特征值分布范围考虑了两个主导因素的影响,具有较强的代表性和借鉴意义。  相似文献   

降雨对非饱和残积土中基坑受力变形影响的机理研究     

张小倩  李明广  陈锦剑  林立华 《工程地质学报》2022,30(4):1266-1274

花岗岩残积土在非饱和状态下的工程性质良好,但其极易受到降雨影响。厦门石鼓山西通道项目的实测数据表明,降雨入渗引起残积土中基坑围护桩变形显著增加。本文采用PLAXIS有限元软件建立数值模型,通过瞬态渗流分析,探究降雨入渗加剧非饱和残积土中基坑变形的机理。结果表明,降雨入渗会显著加剧非饱和残积土中基坑变形,降低基坑的稳定性,其原因是降雨入渗使基坑内外土体饱和度增加,基质吸力降低,进而导致土体抗剪强度减小,同时导致主动土压力增大。相比于低渗透性土,饱和渗透系数较高的残积土层中基坑持力层土体强度更易受到降雨的影响。墙后土体应力路径表明,降雨过程土体所受剪力基本保持不变,基坑变形增加较小,降雨后的清淤开挖使桩后土体达到临界抗剪强度,导致基坑变形急剧增加。  相似文献   

植被生长对填埋场三层覆盖系统防渗性能的影响     

郭浩文  吴宏伟  张琪  陈锐  张彦敏 《工程地质学报》2022,30(5):1731-1743

植物已被广泛用于改善岩土设施的服役性能。然而,植物生长对填埋场多层覆盖系统防渗性能的影响尚不清楚。本研究通过在深圳下坪固体废弃物填埋场开展为期两年的现场试验,并利用数值模拟进行对比与参数化分析,旨在量化湿润气候下植物生长对土体水力性质以及三层覆盖系统防渗功能的影响。经研究发现,土体饱和渗透系数(k_s)随根长密度(RLD)的增加呈线性下降。相比裸露土,植草土k_s、入渗量和入渗速率分别降低55%,18%和35%。这导致在现场监测期间植草覆盖系统中维持的吸力明显高于裸露覆盖系统,数值分析与实测结果相一致。然而,百年一遇降雨后两覆盖系统内吸力分布无显著差异。在两年的现场监测中,相比裸露覆盖系统,草类减少累积渗漏量达21%。通过裸露与植草覆盖系统的年均渗漏量均满足美国环保局建议的每年30 mm的设计要求,证明了没有土工膜的三层覆盖系统在湿润气候下的良好防渗性能。  相似文献   

非饱和土粒间毛细作用的微观不连续变形分析     

李强  李同录  乔志甜  张常亮  李萍  沈伟  郭龙骁 《工程地质学报》2021,29(3):834-842

非饱和土粒间毛细水作用是其基质吸力的主要来源。本文基于二维非连续变形分析算法(DDA),建立了一种能够模拟不同饱和度下毛细水分布状态及计算土水特征曲线的扩展DDA算法。该算法首先通过反复迭代的方式来计算出不同饱和度下毛细水弯液面的半径,并利用圆心轨迹交汇法确定粒间毛细水弯液面与颗粒的搭接位置,从而确定各个颗粒表面被毛细水浸湿的区域。而后利用Young-Laplace方程计算出各个浸湿区域毛细负压的大小,并将其与表面张力添加到传统DDA算法控制方程中。为验证该算法,参照真实黄土中含量最多的粗颗粒建立一理想黄土微观土骨架模型,模拟了不同饱和度下土体中的毛细水分布状态,并获得了土水特征曲线。将模拟结果与实测的土水特征曲线进行对比分析,结果显示预测值和实测值基本一致,该方法能够从微观上揭示非饱和土粒间吸力作用的本质。  相似文献   

基于有限元软件自定义本构模型的膨胀土边坡降雨入渗分析   总被引：1，自引：0，他引：1       下载免费PDF全文

饶鸿  王金淑  赵志明  吴光  冯涛 《水文地质工程地质》2021,48(1):154-162

降雨条件下,边坡土体吸水软化造成抗剪强度降低是引发边坡失稳的重要因素之一。雨水在边坡土体中的入渗过程是动态变化的,土体含水率（饱和度）也会随之发生持续变化,因此,研究土体抗剪强度在动态环境下的变化规律,对实时评价降雨工况下土体边坡的稳定性具有重要意义。文章以贵州省尖山营地区的膨胀土为研究对象,基于非饱和土强度理论,结合室内剪切试验数据分析了膨胀土的抗剪强度指标与土体含水率的关系,提出了以含水率为变量的抗剪强度公式;基于ABAQUS有限元软件平台的二次开发技术编写了USDFLD子程序,结合室内试验得出的土体抗剪强度变化规律,分析了降雨条件下土体含水率变化引起的强度衰减与土体重度变化对膨胀土边坡稳定性的影响。结果表明:随膨胀土含水率增加,土中颗粒吸水膨胀,颗粒间距缩小,矿物颗粒间的黏结作用逐渐增大,直至集合体空隙充水,吸力减小,黏结作用迅速减弱;膨胀土的抗剪强度总体呈递减趋势,其中,黏聚力先增后减,内摩擦角递减。应用ABAQUS有限元软件的二次开发技术可实现土体参数随含水率的动态变化而变化,为降雨条件下非饱和土边坡的有限元分析提供了一种新的技术手段。  相似文献