饱和-非饱和土体渗流分析及其工程应用

摘要

渗流引起的土体稳定性问题一直是岩土工程界的热点问题，普遍存在于天然边坡、人工边坡、路堤、土石坝等工程项目中。传统的渗流计算仅仅考虑饱和区域的水流运动而忽略非饱和区，事实上浸润线以上的非饱和区域同样存在着渗流，而且有时起着重要的作用，这是由于基质吸力的存在造成了非饱和土与饱和土性质的巨大差别。因此，把饱和土与非饱和土作为一个整体来研究渗流问题是很有必要的。 本文根据饱和—非饱和渗流基本理论和有限元原理，对饱和—非饱和渗流的特点进行了分析，并结合工程实例进行计算研究。论文的主要内容包括： 1、根据有限元原理首先从理论上解释了非饱和区也会发生渗流，并采用有限元软件对均质坝和心墙坝进行了算例分析，指出由于基质吸力产生的虹吸作用，使得浸润线上部的非饱和区的渗流也能起到重要的作用。 2、考虑非饱和区渗流的影响，分别在稳定渗流中与非稳定渗流的情况下，讨论单宽流量、渗透坡降、逸出高度及浸润线的变化情况，得出了考虑非饱和区的渗流在某些情况下会影响到坝体的安全、尤其是对心墙的稳定性造成危害的重要结论。 3、对高心墙土石坝的渗流场和应力场的耦合进行了初步的分析，并应用umat子程序对土石坝进行计算，探论了坝体在水压力和重力作用下的变形情况，初步分析了渗流场和应力场的相互影响。 4、分析了降雨入渗条件下孔隙水压力对边坡稳定的影响，证实了非饱和土的基质吸力使得土体的强度提高，有利于边坡的稳定，并通过算例分析了降雨入渗时边坡的位移场及应力场的变化情况。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1问题的提出及研究意义

1.1.1饱和-非饱和渗流

1.1.2渗流场和应力场的耦合

1.2研究现状

1.2.1饱和-非饱和渗流现状

1.2.2土体耦合场和渗流场的研究现状

1.3存在的问题

1.4研究内容

第2章 饱和-非饱和渗流理论及有限元分析

2.1土壤中水的驱动势与达西定律

2.1.1土壤中水的驱动势

2.1.2土壤中水的流动定律-Darcy定律

2.2饱和-非饱和渗流控制方程

2.2.1土壤水运动的基本方程

2.2.2初始条件、边界条件及定解条件

2.2.3饱和-非饱和渗流微分方程的有限元解法

2.3小结

第3章 非饱和渗流的特点及参数分析

3.1忽略非饱和区渗流时的影响

3.1.1常规分析的不足

3.1.2吸力及基质吸力

3.1.2饱和-非饱和渗流问题的Galerkin解分析

3.2非饱和渗流的工程算例分析

3.2.1实例简介

3.2.2计算结果及分析

3.3非饱和土渗透系数及其它参数分析

3.3.1与非饱和土渗透系数有关的量

3.4小结

第4章 某高心墙土石坝饱和-非饱和稳定-非稳定渗流分析

4.1水电站工程简介

4.1.1工程概况及计算参数

4.1.2基本地质条件

4.1.3双江口水电站结构布置概况

4.1.4计算参数

4.2饱和与非饱和状态的稳定渗流分析比较

4.2.1非饱和与饱和情况下稳定渗流计算结果

4.2.2两种状态的对比：

4.3非稳定渗流计算

4.3.1计算参数及工况的选取

4.3.2非饱和非稳定渗流计算结果

4.3.3饱和非稳定渗流计算结果

4.3.4计算结果对比分析

4.4小结

第5章 渗流场与应力场的耦合初步分析

5.1渗流场和应力场的耦合作用机理及连续介质模型

5.1.1渗流场和应力场的相互作用机理

5.1.2渗流场和应力场耦合分析的连续介质模型

5.2 ABAQUS中的Duncan-chang用户子程序

5.2.1用户子程序

5.2.2本构模型的数学表达式

5.2.3子程序结构与编程概要

5.3高心墙堆石坝的算例分析

5.4小结

第6章 降雨入渗对边坡稳定的影响

6.1降雨条件下非饱和渗流的数学模型

6.1.1控制方程

6.1.2定解条件

6.2考虑非饱和土渗流的边坡稳定分析

6.2.1考虑孔隙水压力影响的边坡稳定分析

6.2.2降雨条件下的边坡稳定分析

6.3算例

6.3.1计算模型

6.3.2结果分析

6.4小结

第7章 结论与展望

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果