三维水-土耦合模型在深基坑降水计算中的应用

在广泛分析前人有关本课题研究资料的基础上,对三维水–土耦合模型在深基坑降水计算中的应用进行了研究,并以武汉市中山广场地下过街通道降水工程为例,对其降水过程进行了三维有限元计算。通过对该工程的三维有限元分析表明,三维数值模拟方法能够很好地模拟基坑降水中防渗帷幕、非均质和各向异性等一系列解析法难以处理的实际工程条件。因此,在深基坑降水及其引起地面沉降的计算中,运用数值模拟方法具有重要的现实意义。

降雨入渗引起非饱和土边坡破坏的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元分析

为了全面地了解降雨入渗引起的边坡失稳破坏机制,基于有限元-有限差分理论(FE-FD scheme)的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元数值分析方法被提出。程序中采用了Zhang等^([1])提出的以Bishop有效应力和饱和度作为状态变量的非饱和土弹塑性本构模型,从而可以连续地描述在降雨入渗时土体由非饱和状态转化为饱和状态过程中力学特性的变化。同时用Green-Naghdi客观应力速率张量来考虑边坡失稳过程中的大变形问题。程序不仅可以模拟由于降雨入渗引起的水分迁移、孔隙水/气压力变化的过程,而且可以很好地反映出由于降雨入渗所引起的边坡变形、塑性剪切带形成等力学行为。选取室内边坡模型试验为研究对象,用所提出的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元程序来进行数值模拟,并与试验结果对比,验证了所提出的有限元数值方法的有用性。

流域尺度农业“水-土-经济”要素耦合机制与行为调控系统效应模拟

农业系统的“水-土-经济”要素是刻画人类活动与生态-水文过程互馈效应耦合的关键界面之一。本研究以局部均衡理论为依据,基于栅格尺度的水、土、作物的空间分布数据与行政区尺度的粮食生产、消费与贸易数据嵌套,构建了行政区-栅格跨尺度的农业部门局部均衡分析“水-土-经济”要素耦合模型(Water-Land-Economicnexus Model,WLEM)。研究以黑河流域“粮改饲”补贴政策为例,模拟种植与加工环节的农机设备补贴下水土资源消耗强度与空间布局的变化,刻画农业“水-土-经济”要素的耦合机制与政策干预下行为调控的资源消耗及经济产出的系统效应。模拟发现,对种植环节的大型农机补贴增加了非水土自然要素的投入,降低了生产成本,有助于增加青贮玉米种植面积。而对加工环节进行农机补贴,可通过提高青贮技术直接影响青贮玉米作为饲料的投入,与种植环节补贴相比,其对青贮玉米产量的拉动作用较大。种植与加工环节叠加补贴在鼓励青贮玉米生产的同时,一定程度减少了籽粒玉米种植面积,符合“粮改饲”政策目标。结果表明,在政策补贴过程中需重视加工环节的农业机械设备补贴,并完善种植补贴和加工补贴两种政策的优势互补机制。从生产和加工两个环节补贴的空间效益来看,青贮玉米与籽粒玉米在畜牧业投入上的竞争关系使作物种植过程中水土资源要素投入呈现出空间异质性特征,这与栅格尺度上水土资源要素作为农产品成本的占比以及要素供给和替代弹性差异直接相关。该研究为制定合理的水土资源配置方案与农业发展政策,实现流域水-生态-经济协同发展提供了科学依据。

水-土-结构耦合作用下地铁区间隧道抗震仿真分析

针对济南市地铁区间隧道结构,基于三维比奥固结渗流理论,运用时程分析方法,利用FLAC^(3D)5. 0软件建立了地铁区间隧道三维有限元计算模型,研究了水-土-结构耦合作用下区间隧道的地震反应,以及地下水渗流作用对地铁区间隧道抗震性能的影响。结果表明,考虑地下水渗流后区间隧道位移和内力地震响应规律与不考虑地下水渗流时相同,但区间隧道各点位移、洞顶和洞底的相对位移增大;渗流作用下,隧道的弯矩、剪力有所下降,轴力有所增大。

漫顶溃坝过程的水土耦合数值模型研究

针对溃坝过程中水流与溃口变化快、相互作用强烈耦合的特点,采用无网格基于Lagrange描述的光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics-SPH)方法,引入土体的弹塑性本构关系,构建了土体变形破坏的三维力学模型、水土耦合界面作用模型和一种新的水土耦合冲刷模式,建立了能够较为完整地描述土石坝漫顶溃决过程的水土耦合数值模型。算例模拟表明,该模型能够合理地描述水流对土体的冲刷发展过程。

煤炭资源型城市水-土-能耦合分析——以淮南市为例

煤炭资源型城市正在面临低碳发展的挑战,而燃煤发电需要消耗大量的水、土和能源资源。基于生命周期方法,嵌入耦合理论,建立了煤炭生命周期水-土-能耦合分析模型。基于该模型,定量分析了淮南市2020年燃煤发电生命周期中相关活动实际水、土、能资源总消耗量。结果显示,从生命周期阶段看,发电阶段贡献了最大比例的水、土、能消耗,开采阶段次之,加工阶段最少,其中发电阶段贡献了全生命周期水、土、能资源消耗的60.9%、84.5%和95.3%。从总消耗看,燃煤发电全生命周期的水、土、能资源消耗分别为9.38×10^(8)m^(3)、4.79×10^(5)hm^(2)和2.15×10^(7)tce,直接消耗的水资源和能源分别占91.2%和98.9%,间接消耗的土地资源占88.2%。因此,发电阶段和直接消耗是燃煤发电全生命周期的主要消耗环节,需采取科学有效的措施减少发电阶段造成的水、土、能直接消耗。

饱和土-隧道动力相互作用对地震动土作用和孔隙动水压力的影响

本文利用间接边界元方法,研究了饱和土-隧道动力相互作用对隧道地震动土作用和孔隙动水压力的影响,考虑了不同隧道质量和埋深,以及地震波斜入射情况。饱和场地根据Biot理论模拟为两相介质,通过将饱和两相介质模型所得隧道地震动土作用与单相介质模型结果进行比较,分析了饱和土骨架和孔隙水动力耦合作用的影响。结果表明,饱和土-隧道动力相互作用对地震动土作用有明显放大效应,本文算例中,隧道水平地震动土作用较自由场结果最大放大1. 7倍,竖向地震动土作用较自由场结果最大放大1. 6倍;饱和土骨架和孔隙水的动力耦合作用对隧道地震动土作用大小也有显著影响,本文算例中,单相介质模型所得地震动土作用较饱和两相模型的最大差别可达210%。

液化场地桩-土地震相互作用振动台试验数值模拟

基于动力Biot理论将饱和砂土模拟为两相介质,正确考虑水和土颗粒之间变形关系,采用完全耦合u-p有限元公式模拟土体位移和孔压,选用多屈服面弹-塑性本构模型模拟黏土、砂土,砂层划分为20-8节点六面体单元,桩处理为梁-柱单元,建立三维有效应力振动台试验分析模型。通过振动台试验结果,验证该模型的正确性,显示该方法能够准确地模拟可液化场地桩-土-结构动力相互用的重要特征,这对于实际工程设计具有一定的参考意义。

u-w方程的有限差分法分析饱和土的两个压缩波

给出了饱和土u w方程的差分格式和稳定性条件。用此方法计算了两个不同的一维初边值问题 :土柱受突加水压作用和土柱受突加位移作用 ,并用求导的方法解决了位移边界条件的输入。与理论解比较 ,证明了此方法结果在变化趋势和关键数值上的正确性。

降雨入渗条件下双层非饱和土边坡渐进性破坏数值分析

为了研究降雨入渗引起的双层非饱和土边坡的破坏机理,提出了渗透变形水-土-气三相耦合的有限元数值分析方法。计算程序中通过采用合理的非饱和土弹塑性本构模型,使其可描述双层非饱和土边坡在降雨入渗时的渗透-变形耦合力学特性变化,进而更加清晰明了地阐述非饱和土边坡的破坏机理。以2层不同湿密度的非饱和砂土边坡的模型实验作为研究对象,采用所提出的数值计算方法对不同降雨强度(50、100 mm/h)与双层坡角(59°和68.3°)等4个工况进行了数值模拟分析。与试验结果对比可知,数值模拟结果可以很好地再现试验观测现象,包括不同工况下的孔隙水压力变化、破坏时间。计算结果表明:1)由于2个土层的透水系数有所差异,水在2个土层之间的水分迁移较为缓慢。2)坡角越小(59°)或者降雨强度越小(50 mm/h),边坡破坏所需要的时间越长。3)在降雨过程中塑性破坏是从边坡左侧的坡趾附近开始,逐渐延伸至坡顶,最后形成一条贯穿整个边坡的塑性剪切带。4)边坡左侧的土体整体沿着滑动带向下滑动。在降雨强度较大(100 mm/h)的情况下,边坡滑动的规模相对较小。

深基坑降水中不同的地质模型有限元应用研究

分析水-土耦合场相互作用时,将岩土视作弹塑性材料。在非线性本构关系下,考虑渗透作用,得出岩土体有限元方程,建立了基坑降水的三维水-土耦合的数学模型。对基坑降水中不同的地质模型潜水、承压水及有越流补给和实际工程条件井管、过滤管、止水帷幕分别进行了计算处理,并以武汉国际证券大厦降水工程为实例,对其降水过程进行了三维有限元计算。应用三维数值模拟方法,能很好地模拟基坑防渗帷幕、非均质和各向异性、承压-无压等一些解析法难以处理的实际工程条件和地质模型。

黄土潜蚀机理及其致灾效应研究综述

黄土潜蚀指地表水沿黄土大孔隙、节理裂隙等优势渗流通道饱水入渗时对黄土产生的渗透潜蚀、冲刷搬运及浸水湿陷作用。黄土由于水敏性、结构面发育、优势渗流等特点,导致黄土地区潜蚀广泛发育,且黄土潜蚀具有显著的致灾效应,使得潜蚀诱发的黄土地质灾害的成因机理及防治研究愈发复杂。文章首先梳理了黄土潜蚀的基本概念,在总结黄土潜蚀主控因素的基础上,阐述了黄土潜蚀的成因机理,延伸了黄土潜蚀致灾效应的基本内涵。最后根据黄土潜蚀研究现状,对未来黄土潜蚀研究作了简要展望,指出今后需更加重视黄土潜蚀在黄土地质灾害链中关键链接作用方面的研究。文章针对黄土地区潜蚀研究中若干问题的初步思考,旨在为后续的黄土潜蚀致灾效应研究提供科学建议。

温-水-土-结构耦合作用下寒区梯形衬砌渠道结构形体优化

为提高寒区大型梯形渠道结构输水及抗冻胀破坏能力,采用分层序列法构建渠道断面水力与抗冻胀双目标优化方法。为准确反映温、水、土等外环境与衬砌结构耦合作用所导致的渠道冻胀变形过程,基于冻土水-热-力耦合冻胀理论建立了衬砌渠道冻胀分析模型。以水力最优为第1层次优化,以所得形体几何参数作为抗冻胀优化的解集空间;在第2层次的抗冻胀优化过程中提出了衬砌结构整体刚度指标,并以整体刚度指标最小作为优化目标,以衬砌允许最大法向位移和拉应力作为约束条件;通过COMSOL软件二次开发对冻胀模型控制方程进行有限元求解。工程算例表明:优化结果体现了对渠道行水和衬砌抗冻胀的改进;与原设计相比,优化后渠道结构整体刚度系数减小30%~48%,提高了对冻胀变形的适应能力。该方法可为类似工程设计提供参考。

基于浅层地下水回灌的基坑工程沉降防治分析与计算

采用下负荷面剑桥模型,联合渗流方程,建立土-水完全耦合平衡方程计算模型,探讨浅层地下水人工回灌在基坑工程降水过程中抑制基坑周边地面沉降的作用,并以邻近上海地铁一号线的淮海中路3号地块基坑降水为例,对基坑工程实测沉降和回弹数据进行数值拟合,理论结果与实际数据吻合。本方法对基坑工程地下水回灌防止地面沉降有一定参考指导作用。

狮子洋隧道洞口列车振动流固耦合分析

根据车辆-轨道耦合模型,采用弹性地基梁板模型,得到列车轨下激振力。按广深港高速铁路狮子洋盾构隧道洞口资料,建立精细的三维数值模型,通过FLAC3D软件对列车荷载引发的隧道动力响应进行了数值模拟,分析了列车振动作用下狮子洋隧道洞口水-土耦合规律。结果表明:在列车振动荷载作用下,孔隙水压力增长区域位于隧道周边的一定范围,主要分布在隧道底部地层,在左右两隧道之间的隧道下方地层,超孔隙水压力值最大;地层受振位移响应等值线呈倒钟状分布,隧道上方影响范围大,且衰减缓慢,隧道下方影响范围小,且衰减迅速;管片左侧近域地层位移响应最大,列车振动对相邻隧道附近地层的影响不明显,其位移值远远小于左侧的地层位移。

深厚饱和软土场地中透镜体对上部结构地震响应的影响

工程场地中透镜体对地震动具有明显的影响,且饱和场地与相应干土场地的地震响应具有明显的差别,而目前对于深厚饱和软土场地中透镜体对地震响应的影响还鲜有研究。采用有限元-间接边界元耦合法,建立饱和场地中非线性土-结构动力相互作用模型,对深厚饱和软土场地中透镜体的宽度、厚度和埋深对上部结构动力响应的影响进行了系统地分析,并着重讨论了土骨架-孔隙水耦合作用的影响。研究表明,深厚饱和软土场地中的透镜体可能会明显改变上部结构的动力响应;透镜体的宽度、厚度和埋深对上部结构动力响应有不同程度的影响,且与干土场地中规律存在明显差异;土骨架-孔隙水耦合作用对上部结构动力响应的影响显著。

华北平原地下水位驱动下的地面沉降现状与研究展望

华北平原年地面沉降量大于50 mm的严重区面积超过全国总量的80%,防治形势严峻,需要开展有针对性的研究,为有效防控地面沉降提供科学依据。华北平原建立了较完善的地面沉降监测网络,基本掌握了地面沉降现状及演化规律,但受华北平原含水层系统影响因素复杂与时空变化大等因素制约,对地下水位变化驱动下的土层变形特征及其机制研究迄今仍比较薄弱,限制了对地面沉降发展趋势的科学研判和预测预警。在总结国内外地面沉降研究进展、基于高时空分辨率监测数据分析华北平原地面沉降现状和发展趋势的基础上,提出了地下水位变化影响下的地面沉降研究方向。目前,华北平原地面沉降出现减缓态势,天津、沧州、衡水等重点城市主城区地面沉降得到有效控制,但华北平原尤其是河北平原地面沉降总体上仍然处于较快发展阶段,主要原因是农业灌区地下水开采得不到有效控制。未来华北平原地面沉降研究应聚焦地面沉降机理和预测预警、地下水位回升驱动下的土层变形规律及其对环境的影响、地面沉降区地下水资源属性及地热开发与地面沉降关系等方面。

海底滑坡链式灾害研究进展

我国海洋能源开发已步入深远海域,面临的深海地质灾害问题也日益凸显,尤以海底滑坡最为典型,一旦发生将会形成链式灾害,严重危害水下基础设施的安全。本文聚焦“滑坡形成→运动演化→冲击设施”这一链式灾害过程,首先梳理了不同触发因素作用下海底滑坡的形成机制,进而论述了海底滑坡的运动过程及不同演化阶段的判识标准,分析了滑坡运动演化过程中环境水与土体的耦合作用机理,提出了适用于中小尺度运动演化过程的流固耦合分析方法,并探讨了当前海底滑坡运动演化过程试验模拟技术和原位监测手段的适用范畴与技术瓶颈;进一步地,针对滑坡冲击海底管缆等水下基础设施问题,评析了海底滑坡冲击效应的量化评估方法和研究手段。最后,指出当前海底滑坡链式灾害研究存在的不足和未来的发展方向,以期为海底滑坡地质灾害链的模拟、预测和预警等提供重要参考。

基于SPH无网格法的纺锤形桩靴连续贯入过程模拟

纺锤形桩靴在饱和土中贯入过程涉及土体极大变形和复杂的土、水、结构三者耦合作用,由于网格畸变问题,采用传统网格类数值方法很难进行模拟。SPH无网格法借助于一系列粒子进行插值,粒子与粒子之间无联系,将偏微分形式的控制方程转化为常微分方程组进行求解,可有效避免网格畸变问题。基于土-水-结构耦合SPH无网格算法,对桩靴在中密、密实砂土及饱和黏土中的连续贯入过程进行模拟,研究土体存在极大变形条件下桩靴贯入阻力、超孔隙水压力及总应力等物理量在贯入过程中的变化规律,并与CEL大变形有限元分析结果及室内离心机测值进行对比和分析。研究结果表明:采用土-水-结构耦合SPH算法可以准确地捕捉土、水混合物发生大变形时的自由面特征、贯入阻力、孔隙水压力及超孔隙水压力等物理量。

黄土边坡降雨冲刷试验及颗粒流模拟

为了研究公路工程中黄土边坡的冲刷破坏特征及演化机制,以辽宁西部黄土边坡为研究对象,进行边坡冲刷破坏的室内物理模型试验;监测降雨过程中边坡土体的含水率,分析其雨水入渗规律;以试验为基础,基于水-土耦合理论,借助三维颗粒流程序PFC^(3D)对边坡降雨冲刷过程进行模拟,得到冲刷破坏过程中边坡不同部位土体孔隙率、水流流速、颗粒平均运动速度的分布及变化过程。研究结果表明:在降雨过程中坡脚的浸润范围明显大于其他部位,且这种趋势随着降雨的进行愈发明显;坡面冲刷破坏的演变过程可归结为溅蚀、片蚀→细沟冲蚀→切沟冲蚀→坍塌,坍塌过程由坡脚向上发展,呈牵引式破坏特征,直至边坡完全破坏;随着冲刷的进行,颗粒流失从坡顶到坡脚呈增加趋势,从坡顶到坡脚水流速度呈增大趋势,伴随着单元内颗粒的滑动,流速曲线局部出现峰值,各流体单元内颗粒运动速度的变化特征与水流流速的变化特征相似。颗粒流模拟获得的参数反映出降雨过程中水流侵蚀能力及土体侵蚀强度在坡体内的分布特征:从坡顶到坡脚的水流侵蚀能力呈递增趋势,坡脚处侵蚀破坏最为严重,模拟结果与室内模型试验结果基本吻合,可从细观层面对模型试验做出补充。