温度和密度双变量影响的饱和非饱和渗硫研究

摘要

渗流一直是土力学研究的一个重要问题，许多岩土工程的失稳现象也是由于渗流引发的。关于非饱和土的渗流的研究已经有了很大的进展，本文在总结前人关于非饱和渗流研究的基础上，推导了考虑密度和湿度共同影响的非饱和渗流方程，并探讨了一种非饱和土本构模型简化计算的归一化应力法。通过ABAQUS中的子程序USDFLD实现了考虑密度变化的非饱和渗透系数在渗流中应用，进而计算分析了密度和湿度变化对降雨入渗的影响。本文的主要内容如下：
　　 1.在前人考虑非饱和渗流与应力的耦合方程的基础上，推导了密度和湿度影响的非饱和渗流方程，得到了未知数只包含位移变量和水头变量的方程组。
　　 2.提出了一种归一化应力，使其可将应用非饱和土本构模型的计算统一简化。研究表明几种有代表性的本构模型可用归一化应力描述。然而，相较于屈服面基本相同的模型，屈服面完全不同且随基质吸力呈增大规律的本构模型的归一化应力公式更为复杂。
　　 3.通过USDFLD子程序引入刘奉银教授提出的考虑干密度和湿度(饱和度)双变量的非饱和土渗透系数函数，在ABAQUS实现了考虑密度和湿度双重影响的饱和非饱和计算。通过一个检验非饱和渗流分析的经典模型，从孔隙水压力、饱和度和渗流速度几个方面对比分析了考虑干密度(孔隙比)和湿度(饱和度)双变量影响下的非饱和渗流与不考虑密度变化的非饱和渗流结果的差异，表明其能揭示更多渗流信息。
　　 4.对一个宽0.4m、高5m的土柱模型，模拟了当降雨强度为10ks时，计算研究了干密度(孔隙比)和饱和度共同变化下的降雨入渗及饱和非饱和渗流。并与不考虑密度变化的非饱和渗流的计算结果对比，分析两者在降雨入渗中以及降雨完成后，孔隙水压力、基质吸力和饱和度以及入渗锋面深度的不同变化规律。考虑密度变化的计算结果可以用来解释部分边坡为什么在降雨结束后，才会发生边坡失稳的现象，以及降雨影响深度的问题。