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深基坑工程中的渗流场模拟与分析深基坑工程是指在土壤或岩石中开挖的较深且较大的坑洞，用于建造地下结构或地下设施。
在深基坑工程中，渗流场的模拟与分析对于确保工程的安全与稳定具有重要意义。
1.渗流场的定义渗流场是指地下水在岩土体中的流动分布状态。
在深基坑工程中，渗流场的分布情况直接关系到基坑周围土壤或岩石的稳定性，以及施工期间的排水和支护措施的设计。
2.渗流场模拟方法模拟深基坑工程中的渗流场可以使用数值模拟方法，常用的有有限元方法和有限差分方法。
这些方法通过建立地下水流动的数学方程，结合边界条件和初始条件，对渗流场进行模拟计算。
通过模拟能够预测渗流场的分布，为工程设计和施工提供参考。
3.渗流场影响因素深基坑工程中渗流场的分布受到多个因素的影响。
其中最主要的因素包括岩土体的渗透性、地下水位、渗流边界条件以及基坑周围地下水动态和水平分布的变化。
这些因素的不同组合会导致渗流场的差异。
4.渗流场对工程的影响渗流场对于深基坑工程的影响主要体现在以下几个方面：4.1 施工期间的排水控制：深基坑工程在施工期间需要进行排水，以将基坑内的水位降低到安全范围之下。
渗流场模拟可以帮助设计合理的排水方案，确保施工期间的排水效果和基坑的稳定性。
4.2 周围建筑物的稳定：渗流场的分布会影响基坑周围土壤或岩石的稳定性。
如果渗流量过大或流动过快，可能导致土壤液化现象或岩体稳定性的问题。
通过模拟渗流场，可以预测这些问题的可能性，从而采取相应的支护措施，确保周围建筑物的安全。
4.3 地下水资源的保护：深基坑工程施工期间的排水活动可能会对周围地下水资源造成一定的影响。
通过渗流场模拟，可以优化排水方案，减少对地下水资源的影响，实现资源的保护和可持续利用。
5.渗流场模拟的挑战与发展方向深基坑工程中渗流场模拟面临着一些挑战，如模型的参数设置、边界条件的确定以及模型的验证与修正等。
未来的发展方向包括：5.1 模型精细化：通过改进模型参数的确定方法，提高模型的精度和准确性，以更好地模拟实际情况。
降雨条件下非饱和土滑坡渗流变形模拟分析及工程治理唐凯;孙少锐;宋京雷;王亚山【摘要】以G104国道丁山服务区西侧滑坡为研究对象,根据勘查和室内试验结果,结合反演方法确定滑坡滑带土强度参数.设定了降雨入渗模型、建立滑坡体数值模型,运用非饱和土渗流理论对边坡进行渗流场和应力场耦合分析.通过有限元方法模拟降雨96h,对孔隙水、渗流、位移和边坡稳定性分析.结果表明:降雨过程中,孔隙水压力与坡体位移有明显相关性,坡顶X分量位移较大,坡体的浅层、坡体上部孔压及位移变化较大,因而容易引发后缘拉裂缝、浅层滑塌,降雨后期坡体持续蠕移,引发边缘剪切裂缝,进而诱发整体性滑坡.削坡和挡墙能够提高坡体稳定性,格构、绿化、截排水工程能够减小降雨对坡顶稳定性的影响.%Taking the landslide at the west side of G104 national highway Dingshan service area as subject investigated,based on investigation and laboratory tests,combined with inversion have determined strength parameters of slip soil.Through set up of rainfall infiltration model has established landslide mass numerical model,using unsaturated soil seepage theory carried out slope seepage field and stress field coupling analysis.Through finite element method simulated 96 hours rainfall carried out pore water,seepage,displacement and slope stability analyses.The results have shown that during the rainfall process,the pore water pressure and landslide mass displacement has marked correlation between.Slope top X-component has larger displacement;superficial and upper part of landslide mass have larger pore pressure and displacement,thus easy to bring about trailing edge tensile fissures,superficial ndslide mass continued creeping duringrainfall later period,can induce margin shearing fissures,and then induce integrated landslide.Slope cutting and retaining wall can increase slope mass stability;lattices,planting,intercepting and drainage works can reduce impacts from rainfall on slope top stability.【期刊名称】《中国煤炭地质》【年(卷),期】2017(029)008【总页数】7页(P53-59)【关键词】降雨;滑坡稳定性;模拟分析;非饱和土;渗流;位移【作者】唐凯;孙少锐;宋京雷;王亚山【作者单位】河海大学地球科学与工程学院江苏南京211000;河海大学地球科学与工程学院江苏南京211000;江苏省地质调查研究院江苏南京210000;江苏省地质调查研究院江苏南京210000【正文语种】中文【中图分类】P642.22滑坡地质灾害是最常见的地质灾害，严重威胁人民生命财产安全。
不同降雨强度下渣土受纳场边坡地下水渗流和稳定性的数值模拟分析吴志斌;王陈琦;曾江波;肖林超【摘要】城市建设活动中产生的以弃土、弃料为主的建筑渣土的大量堆积容易形成稳定性极差的渣土边坡,而降雨条件的影响使得渣土边坡更不稳定,可能产生极大的潜在危害.选取某渣土受纳场边坡为研究对象,利用GEO-STUDIO数值模拟软件中的SLOPE/W和SEEP/W分析模块,通过设计5种不同降雨强度工况,对不同降雨强度条件下渣土边坡地下水渗流和稳定性进行了数值模拟计算与分析.结果表明:渣土边坡坡体内的地下水主要从下部渗透率较大的强风化岩层中流出;随着降雨强度的增大,坡体内相应位置处的总水头和孔隙水压力逐渐升高,并且地下水水位线也逐渐升高,而渣土边坡的稳定性逐渐降低.【期刊名称】《安全与环境工程》【年(卷),期】2017(024)004【总页数】6页(P148-153)【关键词】渣土边坡;降雨强度;渗流分析;稳定性分析;GEO-STUDIO软件;数值模拟【作者】吴志斌;王陈琦;曾江波;肖林超【作者单位】深圳市勘察研究院有限公司,广东深圳518026;中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉430074;深圳市勘察研究院有限公司,广东深圳518026;深圳市勘察研究院有限公司,广东深圳518026【正文语种】中文【中图分类】TU43近年来，随着我国城市化进程的加快，城市建设活动中产生的以弃土、弃料为主的余泥渣土的产生量急剧增加[1]。
目前我国许多城市通过兴建渣土受纳场来对余泥渣土进行填埋处理，而倾倒于受纳场中的余泥渣土的大量堆积容易形成人工边坡，由于建筑渣土的物理力学性质差，加之大量渣土边坡并未采取相应的加固措施，无限制的堆砌使得边坡更加不稳定。
《中国典型滑坡》[2]一书中记录了我国各地90多例典型滑坡，其中90%以上的滑坡都与降雨有关。
许多研究表明[3-5]，水是诱发滑坡发生的主要因素，降雨尤其是暴雨、特大暴雨期间或之后，许多大型、特大型滑坡常常发生。
降雨条件下土质高边坡的渗流与稳定分析的开题报
告
一、研究背景
土质高边坡的渗流与稳定分析在工程实践中具有重要意义。
在降雨条件下，地表渗流和地下水渗流都会产生一定的压力，进而对边坡造成一定的影响。
边坡渗流和稳定性分析的研究可以为工程中的边坡设计、施工和维护提供重要参考。
二、研究目标
本研究旨在通过理论分析和数值模拟研究在降雨条件下土质高边坡的渗流和稳定性，并针对不同的土质条件和降雨强度进行分析，从而有效地预测和控制边坡工程安全风险。
三、研究内容和方法
本研究主要包含以下内容：
1. 土质高边坡的力学性质分析：通过采取现场测试方法，对土质高边坡的基本力学性质进行测试和分析，包括土壤重度、剪切强度和压缩模量等。
2. 渗流分析：采用有限元数值模拟方法，建立边坡渗流数学模型，对不同土壤条件和降雨情况下的坡面渗流情况进行数值模拟分析。
3. 稳定性分析：结合数值模拟结果和力学性质数据，采用有限元数值模拟法，建立边坡力学模型，对不同土壤条件和降雨强度下的边坡稳定性进行数值模拟分析。
四、研究意义
本研究的结果将对土质高边坡工程安全风险控制和边坡设计提供一定的参考和指导。
同时，本研究对边坡设计和施工的管理和控制也有重要的意义。
降雨条件下的边坡渗流数值模拟及稳定性分析的开
题报告
1. 研究背景及意义
边坡工程是土木工程中的一个重要分支，其工程实践中，经常会因为降雨等外界原因而引起边坡的滑动、决裂等问题，从而给工程带来安全和经济上的损失。
因此，对于边坡在降雨条件下的渗流和稳定性进行研究，对于避免边坡工程中的安全隐患，提高工程的稳定性具有重要的意义。
2. 研究内容及方法
本文将采用数值模拟的方法，对降雨条件下的边坡进行渗流数值模拟和稳定性分析。
具体研究内容包括：
（1）选取一个现场边坡工程为研究对象，进行工程背景分析和理论探讨。
（2）建立降雨条件下的边坡渗流数值模型，考虑不同的土壤渗透系数、降雨强度和时间等因素，并进行数值计算。
（3）分析得出边坡在不同降雨条件下的稳定性，并探讨降雨对边坡稳定性的影响机理。
（4）对数值模拟结果进行验证分析，以提高分析可靠性。
3. 研究目标及预期结果
本文旨在通过数值模拟的方法，研究降雨条件下的边坡渗流数值模拟和稳定性分析，并得出以下目标和预期结果：
（1）探讨不同降雨条件下边坡的渗流特性。
（2）研究降雨对边坡稳定性的影响机理。
（3）提高边坡工程的设计和施工质量，避免工程安全隐患。
4. 预期工作计划
（1）完成研究背景分析，并明确研究思路和方法。
（2）建立降雨条件下的边坡渗流数值模型，并进行数值计算。
（3）分析得出边坡在不同降雨条件下的稳定性，并探讨降雨对边坡稳定性的影响机理。
（4）对数值模拟结果进行验证分析。
（5）完成论文撰写和论文答辩。
基坑降水方案的三维非稳定渗流数值模拟张立杰 1,2，杜新强1，秦紫东 1,2，东迎欣 1,2（1.吉林大学环境与资源学院，吉林长春130026；2. 黑龙江省水利水电勘测设计研究院，黑龙江哈尔滨150080）【摘要】采用可视化三维渗流数值模拟技术求解基坑降水问题，不但可以提高计算结果的可靠性，而且具有直观、清晰和应用灵活等许多优点。
本文提出了进行基坑降水方案三维非稳定渗流数值模拟的技术要点。
【关键词】基坑降水数值模拟地下水【中图分类号】TU471.5【文献标识码】A【文章编号】Three-dimensional Transient GroundwaterNumerical Simulation of Dewatering of Foundation PitZHANG Li-jie 1,2, DU Xin-qiang1, QIN Zi-dong 1,2,DONG Ying-xin 1,2（1. College of Environment and Resources, Jilin University，Jinlin Changchun 130026; 2. Surveying, Research and Design Institute of hydroelectric and hydropower of Heilongjiang Province，Heilongjiang Haerbin 150080）Abstract:It can not only improve the reliability of calculation result but also have many advantages such as intuitionistic, distinct and flexible that evaluation of dewatering of foundation pit by visual three-dimensional groundwater numerical simulation method. The authors prompted some technical points about this work.Key words: dewatering of foundation pit, numerical simulation, ground water1、基坑降水计算概述随着城市建筑的增多，由于基坑开挖引发的一系列问题越来越突出，其中，基坑降水不当可以引发基坑坍塌、地面沉降等事故，致使工期延误，给国家造成损失。
降雨条件下边坡渗流及稳定性数值模拟分析苏恒宇【摘要】为了研究苏北某高速公路旁边坡在降雨条件下的渗流和稳定性,通过Geo-studio软件的seep/w和slope模块,对边坡进行了不同工况(特大暴雨、暴雨、大雨、小雨)条件下的数值模拟,研究不同降雨强度、不同时间下孔隙水压力及安全系数的变化规律.结果表明:孔隙水压力随着降雨时间的增长呈上升趋势,安全系数呈下降趋势;降雨强度越大,孔隙水压力增大的越快,较易饱和形成表面径流;安全系数在降雨前中期降低较快,后期趋于平缓.【期刊名称】《江苏建筑职业技术学院学报》【年(卷),期】2019(019)001【总页数】4页(P28-31)【关键词】Geo-studio;降雨类型;边坡稳定;数值模拟;孔隙水压力;安全系数【作者】苏恒宇【作者单位】江苏建筑职业技术学院建筑管理学院,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】TV223.6降雨使得边坡土体强度锐减,下滑力加剧,大量的边坡失稳事故都发生在降雨的天气条件下.因此,国内外学者在对降雨条件下边坡稳定进行了分析,做了很多研究工作[1].本文针对这个问题,利用Geostudio边坡渗流及稳定计算软件,以苏北某高速公路边坡为例,研究降雨条件变化对边坡渗流和稳定性的影响.1 计算原理1.1 非饱和渗流理论非饱和土体渗流分析,一般采用Richards来描述,方程如下：其中：式中,u w为孔隙水压力,k Pa;θ为表征土体的体积含水率,%;γw为水重度,kg/m2;t 为时间,h;T x、T y 分别代表为x 和y 方向的渗透系数,m/h;H 是基质吸力的函数. 土体体积含水量可由水土特征曲线获得[2],方程如下：其中：式中：θw 为土体的体积含水量,%;Cφ为修正值;θs 为土体饱和体积含水量,%;λ为土体体积含水量的拐点,%;m 为残余含水量,%;n 为土水特征曲线的斜率;φ为基质吸力,kPa;e为自然对数的底;s为拐点处斜率.渗透系数函数采用Geo-studio自带函数[3].1.2 稳定性分析边坡稳定性分析一般采用极限平衡法,常用的极限平法计算方法有很多,本文采用的是Morgenstern-Price法,并引入Fredlund的土体非饱和双应力变量强度理论：式中：σn 为土体破坏时其破坏面上的净法向应力,N/m2;s a-s w 为土体破坏时的基质吸力,k Pa;c′为有效内聚力,k Pa;φ′为有效内摩擦角,rad;φb为基质吸力的内摩擦角,rad.2 降雨模拟计算2.1 分析模型建立边坡模型如图1所示,山坡高为50 m,长为95 m,边坡前后缘高差为40 m,ab为初始地下水位线,边坡倾斜角为14°,节点14为本研究分析节点,各层的土体物理力学计算参数见表1.土体水工特征曲线,如图2所示.图1 初始边坡模型Fig.1 Initial slope model表1 土体物理力学计算参数Tab.1 Calculation parameters of soil physical mechanics层号土质 (k N重·度m/-3)______粘_k聚Pa力/_________内___摩(°擦)角_/_________饱_和(m渗·透h-系1)数/___________饱__和__含%水__率__/_____________残__余_含%水__率__/______L1 粉质黏土18.8 20 12 0.012 0.3 0.03 L2 黏土 19.1 26 30 0.011 0.22 0.011__L3 黏土19.8____________________29_________________2_9_________________0_._0_0_7__2__ _________________0__.1____________________0__.0_1_______2.2 边界条件建立边坡下边界为竖直约束边界,左右为水平设置边界.其中,左右水头高度分别为28 m 和5 m,表面为降雨边界,降雨共4种工况,见表2.模型网格如图3所示.共剖分为1 006节点,944单元.图2 土体水土特征曲线Fig.2 Curve of soil and water characteristics图3 边界条件模型Fig.3 Boundary condition model表2 工况参数Tab.2 Duty parameter____工况___________降雨类型___降雨强度/__(_m_·__h__-_1_)____降__雨__时__间__/_h_工况1 特大暴雨0.008 3工况2 暴雨0.005 4工况3 大雨 0.003 24____工况4__________小__雨___________0.0004____________________4_8______3 计算结果分析3.1 渗流结果分析本分析采用Geo-studio种的seep/w 模块对模型进行渗流分析,不同工况的渗流分析即孔隙水压力随时间的变化规律,如图4所示.由图可知,孔隙水压力在不同降雨条件下的值,会随降雨时间的增加而不断升高,负孔隙水压力会减小,基质吸力减小[4].且高强度的孔隙水压力值较低强度的孔隙水压力值增长的更快.以2 d末的数值为例,孔隙水压力的数值由大到小的工况依次是特大暴雨、暴雨、大雨、小雨.因为,在同一时间段下,高强度的工况降雨量更大,孔隙水压力增长更快.此时,土体更快且更易达到饱和.但是,图4中未见负隙水压力值增至0 kPa,证明这几种常见的工况均未能使土体达到饱和状态,边坡暂时不会出现表面渗流现象.以工况1 为例,增加降雨时间,可得出降雨时间对孔隙水压力的影响,如图5所示.前期孔隙水压力增长较快,在0.5 d时,孔隙水压力为0,当时间到达1 d时,土体近似达到饱和状态,后期速率降低且趋于平缓,这与现场观测的结果相吻合.说明降雨入渗随着时间的增长,入渗能力减弱,孔隙水压力增长变缓慢.当土体被水充满达到饱和状态时,雨水不能继续入渗,孔隙水压力基本不变,土体会产生坡面径流.雨水入渗会削弱土体的抗剪强度,改变土体天然重度,对土体稳定性产生影响[5].此外,由于高强度降雨持续时间短,土体蒸发与入渗时间有限,极易在表面形成径流,需采取相应改善措施.图4 不同工况下孔隙水压力与降雨时间关系Fig.4 Relationship between pore water pressure and rainfall time under different working conditions图5 特大暴雨条件下孔隙水压力与时间关系Fig.5 Relationship between pore water pressure and time under rainstorm图6 安全系数与时间关系Fig.6 Relationship between safety factor and time 3.2 稳定性分析根据地质灾害防治规范规定,由表3中的稳定系数可知,边坡在自然工况下最稳定,安全系数可达到1.161,其余各种工况下,工况1、2安全系数较低,但都能保持稳定.总体来说,高强度降雨工况稳定系数略低于低强度的稳定系数.以3 h末时间为例,从工况1至工况4,安全系数分别为工况1＞工况2＞工况3＞工况4.说明降雨强度对边坡的稳定性具有一定影响,降雨强度越大,安全系数降低的时间越短.分析其原因,在降雨强度大的情况下,同一时间内总降雨量大,在降雨本身冲击力下迅速入渗,土体易形成饱和土质,基质吸力减小,入渗能力减弱,土体抗剪强度和重度降低,从而削弱边坡的稳定性,与上面所讨论的孔隙水压力的变化相对应.表3 降雨类型对安全系数的削弱程度Tab.3 The degree to which the type of rainfall weakens the safety factor工况降雨强度/(mm·d-1) 安全系数削弱程度/%1 190 1.062 8.5 2 120 1.069 7.9 3 80 1.092 5.9 4 10 1.157 3.4 5 0 1.161—降雨时间对安全系数的影响.以特大暴雨为例,模拟暴雨75 h 降雨条件,如图6 所示.由图可知,安全系数的变化可分为3段,即降雨前期(0～50 h)、降雨中期(50～62 h)和降雨后期(62～75 h).总体来说,安全系数随着降雨时间的增加而降低,即边坡越不安全.且在降雨前期,虽然土体的基质吸力较大,但是此时降雨量小,土体渗透系数大于雨水渗透速度,雨水可以迅速向下渗流.所以,对土体的稳定影响不大,安全系数下降较缓慢.降雨中期,安全系数近似趋于直线下降.是因为较高的基质吸力及土体高渗透性,使得雨水迅速入渗.此时降雨量增加,土体空隙被越来越多的雨水所填满,基质吸力减弱,土体抗剪强度迅速下降,加大边坡的下滑力,影响边坡的稳定性.到降雨后期会发现,中期时土体空隙迅速增长的雨水使得土体趋于饱和,土体渗透能力降低,雨水入渗困难,土体变化情况趋于稳定.所以,安全系数变化微小.综上所述,降雨强度及降雨时间对边坡稳定性的影响有着共同的机理,两者会影响边坡的稳定性,研究时需要全面看待各种影响因素.4 结论1)随着降雨时间的增加,孔隙水压力不断上升.降雨初期孔隙水压力增长速率快,降雨时间越长,后期增长速率越慢,总体呈正比关系.2)相同时间不同工况下,高强度的孔隙水压力较低强度的孔隙水压力增长的更快,安全系数降低时间短.3)苏北某高速公路边坡根据江苏气象资料,在几种常见的工况条件下整体呈稳定状态,且土体暂未达到饱和状态,不会出现土体表面径流现象.4)随着降雨时间的增加,安全系数整体呈下降趋势,即反比关系.在特大暴雨情况下降雨初期安全系数降低缓慢,中期降低速率增大,后期雨水入渗困难,安全系数又趋于稳定.【相关文献】[1] 俞新,李红英.降雨条件下边坡稳定性研究[J].山西建筑,2017,43(33)：61-63.[2] 刘淑燕.降雨强度对不同渗透性土质高边坡稳定性数值分析[J].湖南交通科技,2017,43(4)：15-19.[3] 吴宏伟,陈守义,庞宇威.雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究[J].岩土力学,1999,20(1)：1-14.[4] 罗林,徐颖,左昌群,等.降雨对类土质滑坡微观结构及稳定性的影响分析[J].水电能源科学,2015,33(1)：119-123.[5] 石振明,沈丹祎,彭铭,等.考虑多层非饱和土降雨入渗的边坡稳定性分析[J].水利学报,2016,47(8)：977-985.。
降雨条件下的基坑边坡渗流场模拟3刘红岩(中国地质大学(北京)工程技术学院 北京 100083)王媛媛 秦四清(中国科学院工程地质力学重点实验室 北京 100029) 摘 要:在对多孔介质中的饱和-非饱和渗流数学模型简要分析的基础上,对影响渗流有限元计算分析结果的一些参数选取方法进行讨论,如非饱和土的水土特征曲线、水力传导系数及毛细水头等。
利用相关程序对降雨条件下的基坑边坡内部渗流场进行模拟,分析地下水位线、坡体饱和度、压力水头及坡体内不同位置处的渗流速度随降雨时间的变化规律。
模拟结果与实际情况比较吻合,可为基坑边坡稳定性的分析提供参考依据。
关键词:降雨 基坑边坡 饱和-非饱和渗流 模拟SIMU LATION OF SEEPAGE FIE LD IN EXCAVATION SLOPE DURING RAINFA LLLiu H ongyan(C ollege of Engineering &T echnology ,China University of G eoseiences (Beijing ) Beijing 100083)Wang Y uanyuan Qin S iqing(K ey Laboratory of Engineering G eomechanics ,Institute of G eology and G eophysics ,Chinese Academy of Sciences Beijing 100029)Abstract :On the basis of briefly analyzing the mathematical m odel for the saturation 2unsaturated seepage flow of porous medium ,the selcetion method of such parameters affecting the seepage finite element calculation result as water and s oil characteristic curve ,hydraulic conductivity and capillary water pressure is discussed.In the end ,the relative program is used to simulate the seepage field inside the excavation slope during rain fall ,and the change law of the underground water table ,saturation of the slope ,pressure head and seepage velocity of different positions inside the slope is analyzed.The simulation results are rather in agreement with the practical condition ,which can provide the evidence for the stability analysis of the slope.K eyw ords :rain fall excavation slope saturation 2unsaturation seepage flow simulation3中国博士后科学基金资助项目(20060400498)。
第一作者:刘红岩 男 1975年出生 博士后 讲师E -mail :lhyan1204@ 收稿日期:2007-03-11 大量的试验资料和研究表明[1-3],对于同样的土质,非饱和土中由于存在基质吸力的缘故,其抗剪强度相对很高,一般来说,非饱和土的抗剪强度大于饱和土的抗剪强度,但当非饱和土含水率增大时,基质吸力会大幅降低,土体强度会大幅下降,进而导致土坡的稳定性降低。
降雨对边坡稳定性的影响主要表现为:雨水入渗使得坡体含水量增加,结果导致坡体下滑力增大,土体强度参数降低;降雨从坡体表面下渗,使其暂态饱和区不断扩展,地下水位不断升高,滑带饱水;同时渗流作用所产生的附加渗透力加大了边坡的下滑力,这种瞬态的地下水运动及其所产生的暂态附加水荷载常常成为非饱和土边坡在雨季失稳的控制因素。
另外一个不可忽略的重要因素就是降雨导致土中基质吸力的丧失,从而使土体或岩体软弱夹层抗剪强度大幅度降低。
降雨入渗造成的边坡稳定性降低问题是由典型的饱和渗流与非饱和渗流共同作用而致,因此,导致边坡稳定性降低的根本原因是边坡内部渗流场发生了变化。
而以往对此问题的分析大多集中在由降雨导致的边坡稳定系数降低的计算方面[4-6],很少有文献对导致边坡稳定性降低的根本原因———边坡内部渗流场的变化特征如边坡饱和度、压力水头、质点的渗流速度等进行深入的研究。
因此本文针对以往文献研究中存在的不足,从土体饱和-非饱和渗流共同作用的角度出发,重点讨论在降雨条件下基坑边坡内的渗流场问题,主要采用数值计算的方法对降雨条件下基坑边坡内部的渗流场特征如饱和度、地下水位线、质点流速及压力水头等特征量随计算时间的变化规律进行分析研究,以探讨边坡在降雨条件下稳定性降低的根本原05 Industrial C onstruction V ol 137,N o 110,2007工业建筑 2007年第37卷第10期因。
1 饱和-非饱和渗流的基本微分方程假设土骨架不变形,水为不可压缩流体,那么任意取流场中的一个单元进行分析,根据能量守恒原理,在非饱和土二维非稳定流情况下,流入流出单元的水量变化等于该单元内水量随时间的变化率,由此可推导出饱和-非饱和渗流的基本微分方程[7]:99x k w x 9h9x+99y k w y9h9y=ρwgm w29h9t(1)式中,ρw 为水的密度;kw x、kw y分别为非饱和土在x和y方向上的渗透系数;h为总水头,等于压力水头和位置水头之和;m w2为与基质吸力(ua-u w)变化有关的水的体积变化系数,即土-水特征曲线斜率的绝对值,其表达形式为:m w2=-9θw9(u a-u w),其中θw为非饱和土的体积含水量。
当土体饱和时,土-水特征曲线变化很平缓, m w2近似为零。
故式(1)可作为描述饱和-非饱和渗流的控制方程。
2 基坑边坡渗流场模拟及结果分析非饱和渗流场的计算远比饱和渗流场复杂,这不仅表现在非饱和渗流方程比饱和渗流方程复杂,而且在非饱和渗流问题中的材料参数及计算参数的选取也远比饱和渗流问题复杂,如土水特征曲线、渗透系数及毛细管水头的选取等都是影响渗流计算结果的重要参数,这些参数选取的合理与否将直接决定计算结果的可靠性。
本文利用加拿大G eo2slope 公司出品的软件G eo2slopeΠseepΠw,首先在对影响非饱和渗流计算结果的参数选取方法进行探讨的基础上,对基坑边坡在降雨条件下的渗流场特征进行计算分析。
211 土水特征曲线及非饱和渗透系数函数土水特征曲线是反映毛细管压强或毛细管水头与土壤体积含水量或饱和度的关系曲线,它表明有多少水由于毛细力克服重力而被保持在土壤中,也就是说这些曲线表示非饱和带中水分的能量与数量间的关系,反映了土体的持水能力。
而非饱和渗透系数则反映土体在非饱和区导水的快慢。
这两个参数是表述土体非饱和渗流特性的重要参数。
在目前的研究阶段,这两个指标还很难通过理论分析的方法直接获得,而都是通过试验的方法来确定,试验方法又分为以室内试验和野外现场试验为主的直接法和在少量试验数值的基础上通过相应的数学模型来估计的间接法。
直接试验方法由于费用高、历时长而且可重复性差,难以得到一般规律性的结果;目前普遍采用的间接方法,是利用少量的试验数据根据相应的数学模型来获得水土特征曲线及渗透系数函数。
前人研究表明,在土水特征曲线中,土的基质吸力是随着含水量的减小而逐渐增加的,且二者的变化关系曲线呈反“S”型。
G eo2slopeΠseepΠw程序提供了多种水土特征曲线估计的数学模型,其中VG模型与实测数据线型十分相近,而且参数意义明确,所以至今仍为最常用的模型之一[8]。
因此本文主要选用VG模型来进行非饱和渗流计算参数的估计。
在本文中取土体的体积含水量为013,渗透系数为110×10-5mΠs。
其水土特征曲线及渗流系数函数曲线分别如图1和图2所示。
图1 土水特征曲线Fig.1 S oil2water characteristic curve图2 渗透系数函数曲线Fig.2 The functional curve of penetration coefficient212 毛细管压力水头的确定分布在土颗粒内部间相互贯通的孔隙,可以看作是许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管。
而由于表面张力的作用,毛细管内的水会被提升到自由水面以上一定高度处,而被毛细水所占据的这一部分土体区域称为毛细区域,也称为非饱和区,非饱和渗流也就主要发生在这一区域。
毛细区域内的水压力与一般静水压力的概念相同,它与水头高度15降雨条件下的基坑边坡渗流场模拟———刘红岩,等成正比。
在自由水位面以下为压力,自由水位面以上为拉力,称为毛细压力,毛细压力呈倒三角形分布,弯液面处最大,自由水面处为零。
对于不同的土体类型、不同的孔隙度,毛细水上升的高度是不同的,相应的非饱和渗流发生的区域也不相同,并最终导致渗流计算结果的差异。
因此,合理确定毛细水的上升高度,也是保证计算结果正确的重要因素之一。
一般情况下,在砂土中土颗粒的直径愈小,孔隙直径(即毛细管直径)愈细,则毛细水的上升高度愈大。
由于在实际工程中毛细水的上升高度是比较难以确定的,因此,在实际应用中可按文献[7]中针对不同类型的土所给出的毛细水上升高度值作为参考,进行估算,在本例中取毛细水升高高度为5m。
213 计算模型及边界条件计算模型如图3所示,仅取左边的一半模型进行计算。
由于本文的主要目的是考虑降雨对基坑边坡内渗流场的影响,因此未考虑降雨对基坑底部的影响。
所采用的边界条件为:取基坑边坡上部边界为降雨入渗边界,取降雨强度为5×10-6mΠs,降雨时间和计算时间均为240h。
其余边界均为自由边界。
取初始地下水线距上部地表20m处,且为水平。
该降雨类型相应于实际情况中的均匀连续降雨,且降雨时间较长,因为这种工况对边坡的稳定性影响最大,所以本文选择这种工况进行研究,同时为了更清楚地研究基坑边坡内的渗流参量随降雨时间的变化规律,本文选择了大于现实降雨中的降雨时间。
图3 降雨渗流计算模型 mFig.3 Calculation m odel of rain fall seepage214 计算结果及分析同时,为了更好地考察在某一纵剖面上渗流参数的变化情况,取距左边界30m处的一个纵断面X 进行分析。
