基于计算流体力学-离散元耦合的相对密实度对断级配土体渗蚀效应的影响研究

土体几何因素(粒径比、细粒含量、相对密实度等)不仅影响土体内部稳定性,同时对侵蚀进程有着重要影响。基于离散单元法(discrete element method,简称DEM)与计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)耦合方法,建立了内部不稳定土渗流-侵蚀三维计算模型。考虑细粒含量及相对密实度对内部侵蚀过程的耦合影响,对细观变量:土体孔径分布曲线、颗粒接触数目以及内部传力机制进行分析,以揭示细粒含量与相对密实度的影响的细观机制。研究结果表明:相对密实度的增加降低了侵蚀质量比,且该影响程度与细粒含量相关,细粒含量越高,相对密实度的影响更加明显;内部不稳定土体渗蚀后沿渗流方向可分为上游侵蚀区、中部稳定区及下游侵蚀区。土体渗透性在侵蚀过程中的增长幅度随相对密实度的降低而逐渐增加,随细粒含量的增加而增加;相对密实度对渗蚀过程的影响可归因于三方面:相同水力梯度下渗流流量不同,内部孔隙尺寸分布存在差异,以及细颗粒对土体内部应力传递的贡献不同。研究结果加深了土体几何因素对内部渗蚀过程影响的理解,并为宏观侵蚀本构的建立提供了参考。

正融冰川碎屑冰冻体剪切强度劣化机制研究

受到气候变暖的影响,青藏高原冰川剪切滑动带中的碎屑冰冻体存在融化风险,这严重影响了冰川的抗剪强度和稳定性。为了研究融化过程对碎屑冰冻体剪切力学特性的影响,引入融冰率定量评估融化程度,对正融碎屑冰冻体试样开展了室内直剪试验。基于试验结果提出了正融碎屑冰冻体的有限-离散元数值模型并进行了对比验证,研究了融冰率和碎石含量对碎屑冰冻体剪切力学行为的影响规律。结果表明:融化过程显著降低了峰值剪切强度、黏聚力和内摩擦角;强度参数与融冰率的关系可用线性准则表达;正碎屑冰冻体剪切强度急剧劣化的主因是孔隙冰融化导致的冻土-孔隙冰界面黏聚力降低;当融冰率从2%增加到4%,试样变形模式由应变软化过渡为应变硬化,破坏模式由粗糙的“锯齿状”过渡为平滑的“圆弧状”;随着碎石含量增加,碎屑冰冻体剪切强度明显降低,降低幅度随融冰率的增加而减小。该研究可作为冰川稳定性评价的有益补充。

地铁车站基坑降水引起周边环境沉降预测研究

随着城市地铁的快速发展,地铁车站的建设不可避免地要进行基坑开挖,车站周边环境的沉降问题日益受到关注。为了有效预测和管理这一问题,针对滨海地区地铁车站周边环境的沉降现象,通过深入研究地质、土壤特性以及施工等因素,利用三维地下水模拟软件Visual Modflow建立地下水流计算模型,分析了降水对周边地下水位的影响,预测了基坑降水的条件下基坑内外各含水层水位变化情况,结合施工现场水位降深数据,对后期降水引起的地铁车站周边环境沉降进行预测分析,得到了降水运行120 d基坑外坑外潜水水位变化、承压水位变化以及基坑周边地面沉降,并根据数值模拟结果提出了地面沉降控制相关措施。

南通路基土毛细水上升高度试验探究

毛细水上升会产生路基病害,以南通某干线公路路基土为研究对象,进行毛细水上升高度直接观测法试验,探究干密度、颗粒分布、含水率对毛细水上升高度的影响。结果表明:不同含水率的土样,随着干密度的增大,毛细水上升高度均呈减小趋势;随着颗粒分形维数的增大,毛细水上升高度均呈增大趋势;水泥改良含水率10%的土样,随着水泥掺量的增加和养护龄期的增长,水泥固化对毛细水上升的抑制作用明显;固化改良施工可选择8%水泥掺量、7天养护龄期或6%水泥掺量、14天养护龄期。

干旱区河堤侵蚀防控研究

本文利用工程防洪墙减少土堤侵蚀,以提高和田河流域堤防的抗侵蚀性能。通过物理试验模型研究了工程防洪墙5种不同表面形状对案例河堤土壤侵蚀的影响。结果表明,与原始防洪墙表面(案例A)相比,在防洪堤表面设置的4种防护结构(案例B-案例E),均降低了堤防的土壤侵蚀深度,即在防洪墙表面安装条带和砌块可以减少或最大限度减少土壤侵蚀的影响。一个有效设计的防护结构可将侵蚀深度减少40%,将侵蚀时间延长400%。研究可为干旱区防洪减灾提供有效措施。

浅谈地下水对地基基础的影响及防治措施

地下水作为地基基础的主要影响因素,在岩土工程勘察和地基基础设计的过程中必须要引起重视。本文综合地下水成因与分类情况,从地下水对地基基础的物理和化学作用、地下水频繁升降对地基基础的不利作用两方面对地下水对地基基础的影响因素进行分析,提出防治措施。结果表明:(1)不同地域的地下水含有不同成分,在指定环境下同周边的岩土体进行复杂的物理及化学反应,会导致岩土体的结构发生变化,影响整个地基基础的承载能力。(2)地下水水位的频繁升降不仅会对地基基础承载能力及稳定性产生诸多不良影响,同时还会对地基以下的基础施工带来不利的外部施工条件,进而直接影响整个上部建筑结构的安全。(3)防治措施应“因地制宜,对症下药”,做好资料收集工作,定期做好地下水水位的观测工作,准确、合理地确定抗浮设防水位等相关水文地质参数,做好地基不均匀处理工作。以期对类似工程起到借鉴作用。

地下水位线倾斜的地面塌陷演化过程试验研究

为探究地下水位线倾斜情况下岩溶地面塌陷的演化过程,设计一种模拟地下水位倾斜致塌的试验装置。首先,以砂土为试验材料,考虑地下水位线倾斜角度及岩溶水位高度变化等因素,开展室内物理模型试验。其次,通过监测试验过程中孔隙水压力、竖向土压力、地表沉降量及岩溶通道渗流总量等数据,测绘塌陷体的空间形态,分析地面塌陷的演化过程。试验结果表明:距离岩溶通道孔口越近,土中的孔隙水压力降幅及水力梯度越大,加速了孔口附近土体的变形和破坏。岩溶水位下降会在土体内部形成降落漏斗,引起地下水渗流量的非线性增长。以临界土洞为界,岩溶地面塌陷可分为内部塌陷和地表塌陷2个阶段。随着地下水位线倾角的增大,岩溶通道的渗流强度减弱,土体内部偏压特征逐渐显著,且偏压条件会增强对土拱效应的削弱作用。塌陷体中心线向高水位侧的偏斜角度与地下水位线倾角呈正相关,其空间形态由漏斗状转为牛角状。最后,参考渗水条件下深埋隧道松动土压力的计算方法,对渗流作用下岩溶土洞顶部松动土压力进行求解,所得结果与实际试验数值较为吻合,具有一定的合理性和参考意义。

考虑地下水入侵导致土壤强度变化的沿海建筑地基韧性模型

海平面上升导致的地下水入侵沿海地区的建筑地基造成显著风险。提出了一个考虑地下水侵入导致土壤强度退化的沿海建筑地基韧性模型。该模型由地基的性能函数在服役期内的积分得到。考虑条形基础的韧性,其极限承载力由Terzaghi公式描述。韧性模型考虑气候变化背景下地下水位的上升对土壤强度的影响。通过一个算例,展示了所提出的韧性模型的适用性。结果表明,如果不考虑气候变化影响下地下水位的上升,则会得到不保守的结构韧性评估结果。结构全寿命周期内的韧性也取决于所采用的维护措施(即,修复受损的结构性能)。未来的研究中,还应考虑其他因素(如锈蚀)对沿海建筑地基性能退化的联合影响。

基于新型导渗结构的散浸险情抢险效果试验研究

在长江中下游历史险情资料调研的基础上,提出了一种盲沟管与传统人字沟相结合的新型导渗结构,并开展了不同水力梯度下不同土工织物长期淤堵试验和新型导渗结构排水物理模型试验。结果表明:改进后的盲沟管具有良好的反滤排水特性和抗淤堵特性,可为汛期散浸险情抢险提供参考。

滑坡灾害的危险性评价与防治研究

滑坡是一种典型的受地下水、地表水和人类生产建设活动影响较大的地质灾害。为探究不同滑坡影响因素对潜在滑坡的危险性等级影响,选取福建省武夷街道办源头墩自然村滑坡为研究区,通过现场野外调查并结合地质勘查资料,综合考虑不同降水量、滑坡岩土体状态、边坡坡度及崩塌角度对滑坡危险性指数M的影响,对潜在5个滑坡进行了危险性评估,分析了该区域滑坡发生的主要原因是短期强降雨、居民削坡、滑坡岩土体状态的共同影响,并对潜在滑坡提出了“排水护脚为主,削坡绿化为辅”的防护策略,为后续该地区边坡治理提供参考。

高桩承台桥梁概率洪水冲刷风险及时变抗震性能

位于地震活跃区的跨河流桥梁会面临地震和洪水冲刷两大自然灾害的威胁。为探讨高桩承台式桥墩的洪水冲刷风险以及冲刷对该类桥梁服役期间时变抗震性能的影响,以我国西部地区某跨河连续刚构桥为例,基于冲刷分量叠加法和概率分析方法,构建高桩承台式桥墩在不同年份洪水事件下的冲刷深度风险评估曲线;建立OpenSees桥梁有限元模型,通过不断更新模型中的p-y土弹簧来模拟洪水冲刷条件下的桩-土相互作用,研究洪水冲刷对高桩承台式桥梁动力特性和抗震性能的影响。研究结果表明:墩身分量对高桩承台式桥墩基础冲刷深度的影响很小,但承台分量和群桩分量对冲刷深度的影响较大;基础冲刷深度前10年增长较显著,随后增量开始减慢;随着基础冲刷年份增加,桥梁结构主要振型的周期、最大位移和墩顶截面最大内力均会逐渐增大,但墩底截面最大内力会减小;桩-土作用非线性效应会随基础冲刷深度增加而表现得愈加明显。

水封油库地下水位动态变化特性数值研究

为认识水封石油洞库区地下水位的动态变化过程,以黄岛地下水封石油洞库的基本地质条件为依据,采用饱和非饱和非恒定流数值分析方法,对水封油库在施工期和运行期可能出现工况下的地下水位变化情况进行了全过程数值仿真计算,分析了不同时期洞库区附近岩体的地下水位分布特点及变化过程。研究表明水封油库区内的地下水位变化过程主要受岩体渗透系数、洞库开挖方式和运行方式的影响;当洞库区岩体渗透系数大于1.0×10 7m/s时,洞顶上方岩体中的地下水将被疏干,必须设置水幕系统来保证洞库的水封效果。

我国结构抗浮水位研究现状与展望

目前我国结构抗浮水位方面研究成果虽然很丰富,但分歧很大,不仅直接影响了实际工程中的应用,同时也造成了研究工作自身缺乏系统性和延续性。为解决这一问题,利用水文学、水力学和土力学等科学理论,分别从抗浮水位基本概念、抗浮水位分析中两个基本问题(孔隙水压力和远期最高水位)的方法论和抗浮水位分析的技术体系等3个角度对既有研究成果进行了系统综述与客观分析。在抗浮水位基本概念方面,根据地下水赋存和渗流理论,将目前研究成果划分为二维、准三维和三维等3种类型,提出了各自的数学表达式,分析了三者之间逻辑关系,讨论了各自的科学性和适用性。在孔隙水压力分析方法方面,尤其是孔隙水压力折减问题,对基于渗流理论和有效应力原理的经典分析方法进行系统评述的同时,还对当前讨论热烈的基于结合水理论的分析方法进行了梳理评价。在地下水远期最高水位预测方面,着重讨论了历史最高水位法、基于宏观数据反演法和数值分析法等3种方法的优缺点及需要完善之处。在抗浮水位分析技术体系方面,以北京地区为例对该类问题作了简要总结与评述。最后,对抗浮水位研究与应用现状进行了概要性评述,并结合我国国情,对未来工作提出了展望与建议。

基于FLAC^(3D)平台的边坡非饱和降雨入渗分析

为研究降雨入渗条件下三维边坡渗流场的变化过程,在全面研究FLAC3D软件渗流分析模块功能及算法的基础上,通过编写FISH函数完善了FLAC3D软件的非饱和渗流计算功能。基于降雨入渗机制的分析,编写了降雨入渗及停雨出渗边界的FISH函数,实现边坡三维降雨入渗过程的模拟。通过降雨条件下算例边坡的饱和非饱和渗流场变化过程的数值计算,研究了降雨入渗引起的边坡暂态饱和区变化过程,并与已有研究成果进行对比分析,从而验证了自编FISH函数实现边坡三维非饱和渗流计算结果的正确性。研究成果表明,文中提出的边坡三维非饱和降雨入渗分析是可行的,同时也为三维边坡非饱和渗流场的研究提供了一条有益的途径。

岩石在酸化环境下的强度损伤及其静态加速模拟

在不同质量百分比(1.0%,5.0%及10.0%)的3种酸溶液(H2SO4,HNO3和HCl)中,对大理岩和辉绿岩的水岩作用进行了静态长时(900d)加速浸泡试验模拟,分析了岩石单轴抗压强度、劈裂法抗拉强度和表面肖氏硬度的损伤对酸的敏感性和损伤机制。研究结果表明,在静水环境下,岩石强度损伤、硬度损伤及腐蚀速率与H+浓度及浸泡时间成非线性关系,岩石腐蚀所产生的环境效应不仅与岩性、酸种和H+浓度有关,而且与新成盐是否发生水解有关。

任意埋深水下隧道渗流场解析解

总结现有关于水下隧道渗流场解析研究的优点和不足,基于稳态渗流控制方程,结合保角变换方法,严格推导了水下隧道渗流场的解析解。该解能求解任意埋深考虑注浆圈作用的水下衬砌隧道渗流量以及水压力分布,并能退化到无衬砌水下隧道以及水下不透水管道两种极端情况,应用Comsol软件建立数值模型验证了新解答的正确性。利用本文解研究了隧道埋深、衬砌渗透系数、衬砌厚度等因素对隧道渗流量、衬砌外水压以及总水头分布的影响。研究发现当隧道埋深较小时,最大水压力出现在隧道顶部,而埋深较大时,则出现在隧道底部;衬砌外圈平均水压力及分布不均匀程度随着埋深的逐渐增大先减小后增加;其他参数不变时,存在某个埋深或者衬砌厚度使衬砌外水压力接近均布。

边坡稳定性分析中的渗透力计算方法考证

针对土力学中渗透力概念模糊、计算方法不统一的问题,从饱和土体的两相介质组成特性研究出发,全面阐释了饱和土体中与水相关的作用力概念,揭示了各种水作用力对土体骨架的面力作用本质。建立了渗流条件下土体、土骨架和孔隙水体的受力分析模型,推导了土中水流动形成的渗透力计算公式。从土体受力分析的弹塑性有限元和极限平衡分析方法两个角度,阐述了渗透力荷载效应的计算模式。分析结果表明:在有限元方法中采用有效应力原理进行土体受力分析可以正确反映渗透力荷载效应;条分法中的面力模型也可完全代表渗透力的荷载作用效应,但由于条分法中条间力假定的存在将导致渗透力荷载效应不能全面得到反映。边坡稳定性分析的水土合算总应力法在理论上是不完备的,而基于有效应力思想的水土分算法将条块边界上所有的水压力都作为条块受力分析的荷载,从而可以全面地反映渗透力的荷载效应,因此,在考虑渗透力作用方面是精确的。

东京地下水位上升对地下工程的危害警示

地下工程的修建,其支挡结构和止水帷幕会人为地改变地下水的环境地质条件。地下水位的变化又不可避免地危害地下工程的施工和运营状况。国内普遍重视施工期的地下水位的控制问题,而对地下水位上升的影响则罕有研究。日本东京建具有世界上最复杂的地下工程系统,地下水位在1970年前后发生了质的变化,中心区地下水位平均上升了15 m,最大上升了60 m。综合分析了地下水位上升对既有地下工程产生的一系列危害:漏水、上浮、腐蚀等问题,威胁工程运营安全,缩短工程使用寿命。地下水位上升对地下工程的危害巨大,影响深远,且消弭难度极大;应重视未来地下水位的预测及其应对措施。这对于我国沿海城市、内陆盆地、华北地区的地下空间开发利用具有重要的借鉴意义。

循环脱吸湿与加卸载耦合作用下土体持水性能试验研究

土体所经历的干湿循环和应力历史,对其孔隙结构和持水性能影响明显。为进一步深入研究二者耦合作用的影响,开展了先竖向固结再循环脱吸湿以及先气压脱湿再反复竖向加卸载两种不同加载路径的水分变化测量试验,探索土样持水性能和变形能力的演化规律。研究结果表明:(1)脱湿与吸湿路径对比,土体的持水能力具有明显的差异性,且土体越密实,这种差异性越强烈;(2)随着脱吸湿循环次数的增加,土样的进气值略有增大,减湿段和吸湿段的斜率都会减小,但影响趋势随循环次数增多而减弱;(3)对于气压减湿后的非饱和土样,其前期固结压力随气压值增加而增大,而加卸载形成的滞回圈的面积却随之减小,土体的持水性能和变形能力也降低;(4)重塑土样从不同加载路径首次达到同一应力状态时,先固结再脱湿路径下土样的体积收缩更多,而先施加气压再加载路径下土样持水性能减弱的更多。

水化学作用对滑坡滑带土的物理力学特性影响试验研究

滑带是影响滑坡稳定的最关键内在因素之一。对原状土进行X射线衍射、压汞试验,获得了滑带土体的成分及其含量和孔隙结构参数,结果表明,滑带土成分以石英、拉长石、伊利石等为主,孔隙孔径以小孔和过渡孔居多;依据工程实例滑坡滑带土所处的水化学环境,模拟不同水化条件,通过剪切试验、渗透试验和扫描电镜试验,获得不同化学条件的强度和渗透性参数及微细观结构特征,分析了滑带土在不同水化学条件下力学特性和渗透性变化规律。试验结果表明:相同p H条件下,较之蒸馏水,土样经化学溶液浸泡后峰值强度和残余强度变大,且残余强度的变化更明显;不同p H条件下,酸碱性溶液使得土的强度参数显著降低。该研究结果为水化学条件下滑坡滑带土力学特性变化、多场耦合理论模型分析提供了重要的基础数据。