降雨作用下非饱和堆积边坡固-液-气耦合模型的数值分析

摘要

降雨诱发的非饱和土边坡渗流、变形及稳定性问题是岩土工程界的重要课题之一。本文采用多场耦合的方法，超越经典土力学的理论框架去研究这些问题，得到新的认识，丰富研究思路，对理论研究和工程应用具有重要意义。
　　本文以西南地区堆积土为研究对象，利用压力板仪开展蠕变状态下土-水特征曲线试验研究，分析不同因素对非饱和土压缩蠕变以及蠕变状态下土-水特征曲线的影响;建立非饱和土固-液-气三相耦合模型，采用有限元软件COMSOL进行求解计算，研究降雨条件下非饱和土边坡的渗流、气体迁移、变形以及稳定性变化规律，并应用到工程实例中。具体研究内容和主要研究成果包括以下几点:
　　(1)采用压力板仪进行了非饱和土在压缩蠕变状态下的土-水特征曲线试验，获得了不同轴压、不同初始含水率、不同初始干密度情况下的非饱和土压缩蠕变曲线以及相应的土-水特征曲线。试验结果表明，土体的压缩蠕变变形与所施加最大轴压、初始含水率成正比，与初始干密度成反比;较高的初始干密度与较大轴压的土体具有较强的持水能力，进气值也相对较大。
　　(2)基于连续介质力学原理、混合体理论和弹性力学理论，建立了非饱和土固-液-气三相耦合模型，并引入有限元软件COMSOL求解计算;利用砂柱排水试验成果验证三相耦合模型的正确性和计算程序的可靠性;对比了多场耦合模型与流-固耦合模型、气-液耦合模型之间的差异，揭示了孔隙气体和土体变形对于雨水下渗的阻滞作用。
　　(3)采用固-液-气三相耦合模型，计算分析了理想的二维土质边坡在降雨入渗过程中雨水渗流、气体迁移、土体变形以及稳定性演化过程。揭示了湿润锋与孔隙气体之间的动态平衡和相互作用。探讨了降雨持时、进气值以及各向异性对非饱和土边坡各场及稳定性的影响。研究表明，土体内部孔隙气压力的变化与土体深度有关，埋深较大土体的孔隙气压的聚集与消散过程相对滞后;流-固耦合和气-液耦合情况下孔隙水压力和稳定性系数变化快于固-液-气三相耦合的情况，这是由于没有考虑孔隙气体和土体变形对雨水下渗的阻滞作用;各向异性对土坡渗流场的影响与土坡深度及土坡位置区域有关。
　　(4)在前面的研究基础上，将非饱和土固-液-气三相耦合模型应用到工程实例中。分析了降雨条件下陈山滑坡各场变化规律以及稳定性演化过程。计算出的最大总位移与实际滑面位置也能够较好的吻合。计算结果表明固-液-气三相耦合模型能够较好地应用于工程实例。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土-水特征曲线研究现状

1．2．2 土体多场耦合研究现状

1．3 主要研究内容及创新点

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

1．3．3 本论文特色与创新之处

第2章 蠕变状态下非饱和土的土-水特征试验研究

2．1 试验仪器简介

2．1．1 压力板仪

2．1．2 操作步骤

2．2 试样基本物理性质

2．3 试验步骤

2．4 不同轴压的试验结果

2．4 不同初始含水率的试验结果

2．5 不同初始干密度的试验结果

2．5 本章小结

第3章 非饱和土固-液-气三相耦合控制方程的建立与验证

3．1 非饱和土固-液-气三相耦合控制方程

3．1．1 质量守恒方程

3．1．2 平衡微分方程

3．1．3 初始条件和边界条件

3．2 COMSOL Multiphysics有限元软件基本介绍

3．3 固-液-气三相耦合模型的验证

3．3．1 砂柱排水试验介绍

3．3．2 数值计算模型及物理参数

3．3．3 边界条件和初始条件

3．3．4 计算结果

3．4 两相耦合与三相耦合的对比分析

3．4．1 流-固耦合的对比

3．4．2 气-液耦合的对比

3．5 本章小结

第4章 降雨作用下非饱和土边坡固-液-气三相耦合分析

4．1 几何模型及物理参数

4．2 边界条件和初始条件

4．3 非饱和土边坡稳定性分析方法

4．3．1 非饱和土边坡稳定性分析模型

4．3．2 稳定性计算方法

4．3 降雨持时的影响

4．4 两相耦合的对比

4．5 进气值的影响

4．6 各向异性的影响

4．7 本章小结

第5章 工程实例分析

5．1 陈山滑坡概况

5．1．1 地理位置及交通

5．1．2 地形地貌

5．1．3 气象水文

5．1．4 地层岩性

5．1．4 水文地质条件

5．2 陈山滑坡固-液-气三相耦合数值分析模型

5．2．1 几何模型及计算参数

5．2．2 初始条件和边界条件

5．3 计算结果

5．3．1 孔隙水压力变化

5．3．2 孔隙气压力变化

5．3．3 位移变化

5．3．4 稳定性分析

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果