非饱和土坡降雨入渗和变形耦合过程分析
摘要：地球上许多岩土工程问题与非饱和土有关，在降雨作用下易产生滑坡。基于非饱和土固结理论，应用弹塑性有限元方法探讨了非饱和土中雨水入渗与变形的耦合过程。通过参数研究和与试验结果的对比表明所提出的方法可以较好地描述非饱和土中蒸发和降雨入渗时的耦合过程。最后对一非饱和土坡进行了蒸发后降雨入渗时的数值分析，研究了渗流—变形耦合过程中位移的发展和孔隙水压力的产生。 毕业论文网 关键词：非饱和土;雨水入渗;渗流—变形耦合分析;有限元方法 Analysisofcouplingprocessofraininfiltrationanddeformationofunsaturatedsoilslope FanHuai—hua1，LiuDa—cai2，WangYu—jun3 （1.ChinaNonferrousMetalsIndustrySurveyandDesignInstituteofKunming，Kunming650051; 2.MetallurgicalResearchInstituteCo.，Ltd.，ChengduSurvey，Chengdu610023;3YunnanArtsUniversity，Kunming，Yunnan650500） Abstract：Therearemanygeotechnicalengineeringallovertheworldpertainingtounsaturatedsoils，whichcancauseslopeslidingwhensubjectedtorainfallinfiltration.Acoupledelastic—plasticfiniteelementanalysisbasedonconsolidationtheoryforunsaturatedsoilsisemployedtoinvestigatethecouplingprocessesofwaterinfiltrationanddeformationofunsaturatedsoil.Throughparametricstudyandcomparingsimulatedresultswithtestedones，itdemonstratesthattheproposedmethodcandescribewellthecharacteristicduringwaterevaporationandinfiltrationintounsaturatedsoils.Finallyanunsaturatedsoilslopewithwaterinfiltrationisanalyzedindetailtoinvestigatethedevelopmentofdisplacementandgenerationofporewaterpressure. Keywords：Unsaturatedsoil;raininfiltration;seepage—deformationcoupledanalysis;finiteelementmethod 1.引言 在降雨过程中，雨水会逐渐渗透到非饱和土坡中去。由于雨水的入渗，非饱和土坡会在渗流—变形耦合作用下逐渐变形，坡内的吸力、孔隙水压力和应力分布也会发生相应的变化。在长时间的降雨入渗作用下，由于土体的力学性质的变化和变形的发展，在初始稳定的土坡体内会逐渐形成滑裂面，从而导致滑坡的发生。从而会影响雨水入渗和变形耦合过程，可见有必要研究非饱和土坡在降雨入渗时的渗流—变形耦合过程。 对于降雨入渗时非饱和土坡的变形和破坏过程的研究主要集中于两个方面[1—3]，一是物理模型实验研究[4—7]，另一是采用非饱和土固结理论的数值模拟研究[8—11]。陈铁林等[12]基于双变量非饱和土固结理论，考虑裂隙的影响，把固体骨架的应力应变特性理想为弹性的，以位移、孔隙水压力和孔隙气压力为变量对一般超固结土边坡和膨胀土边坡进行了有限元数值分析;袁俊平等[13]进行了考虑裂隙非饱和膨胀土边坡入渗模型与数值模拟，分析了边坡地形、裂隙位置、裂隙开展深度及渗透特性等对边坡降雨入渗的影响;王环玲等[14]对于泄洪雾雨区裂隙岩质边坡进行了饱和—非饱和渗流场与应力场耦合分析，详细研究了耦合后边坡岩体的变形、应力以及塑性区开展。基于非饱和土简化固结理论[15]，沈珠江等[16—17]对膨胀土渠道边坡进行了降雨入渗和变形耦合分析，并与实测对比了孔隙水压力变化和变形的发展。本文采用非饱和土简化固结理论和有限元分析方法对降雨入渗时非饱和土坡内的渗流场和应力场的分布和发展过程进行探讨。 2.非饱和土固结理论[2—15] 2.1有效应力公式 非饱和土的有效应力采用Bishop公式表达： 2.3基本方程 若不考虑温度的影响，并忽略孔隙水中溶解气和孔隙气中蒸汽的流动，非饱和土的固结方程组如下： 2.5本构模型 （1）土骨架的双硬化模型 按照式（1）有效应力原理，下面公式中的应力均指有效应力。采用下列双硬化屈服面 4.降雨入渗时非饱和土坡的耦合分析 对于深20米、宽54米的非饱和土坡，采用以上方法对其进行了蒸发和降雨入渗条件下的渗流—变形耦合分析。计算网格和边界条件见图2（a）。初始的1100天土坡以0.3mm/天的速率蒸发，随后的300天以0.5mm/天的速率降雨。计算参数如下： 5.结论 本文采用非饱和土的简化固结理论，采用弹塑性有限元对非饱和土土样脱水时的室内试验进行了模拟，并对一非饱和土坡进行了蒸发后降雨入渗时的渗流—变形耦合过程进行了分析。分析结果表明本文提出的方法可以较好地模拟柱状DelMonte砂样的脱水试验过程中的孔隙水压力的变化，且可以定量的模拟出非饱和土坡蒸发后入渗过程中位移和孔隙水压力的分布。 参考文献。
[1]包承纲.非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题[J].岩土工程学报，2004.26（1）：1—15.
[2]沈珠江.理论土力学[M].2000，北京：中国水力水电出版社.
[3]FredlundD.G.，RahardjoH.Soilmechanicsforunsaturatedsoils[M].1993，JohnwileySons.
[4]詹良通、吴宏伟、包承纲等.降雨入渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测[J].岩土力学，2003.24（2）：151—158.
[5]周中、傅鹤林、刘宝衬等.土石混合体边坡人工降雨模拟试验研究[J].岩土力学，28（7）：1391—1396.
[6]林鸿洲、于玉贞、李广信等.降雨特性对土质边坡失稳的影响[J].岩石力学与工程学报，2009，28（1）：198—204.
[7]李焕强、孙红月、孙新民等.降雨入渗对边坡性状影响的模型实验研究[J].岩土工程学报putersandgeotechnics，2001（28）：185—208.