非飽和土
關注創建者：武漢研 創建時間：2016-02-17
非飽和土的視頻教程
ABAQUS基坑非飽和滲流詳解
從原理到操作對采用ABAQUS進行非飽和土滲流分析方法進行了詳細介紹。 通過交互導出inp文件的方法對單元進行分組，確定單元面的編號，并從單元拓撲關系的角度介紹了確定單元面編號的方法。 講解了滲流分析中存在的四種滲流邊界，著重講解了自由溢出邊界設置的兩種方法，并通過基坑管井降水模型介紹操作過程。
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非飽和土的實例教程
降雨入滲條件下非飽和土邊坡穩定分析[J]. 巖土力學, 2005, 26(12):92-97.
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來源：ABAQUS在巖土工程中的應用
VADOSE/W軟件是一款分析外界環境中的水體通過地面和地下的非飽和土區域進入地下水體的有限元軟件。它可以對各種環境狀況和地下水滲流相結合的問題進行分析。比如，用戶可以使用VADOSE/W軟件對由于下雨而引起的地下水滲流問題進行簡單的分析，也可以建立一種考慮了雪的融化、植物根部的蒸發、表面蒸發、流走、積聚、氣體擴散等多種因素影響的非常復雜的模型來進行分析。
對非飽和土力學性能的理解對于，分析邊坡穩定性、設計礦床或城市垃圾廢棄物設施的覆蓋土層、農業或灌溉項目中的地下水滲流等問題的研究都是非常重要的。地表的環境狀況，如滲流、蒸發、蒸騰等對非飽和區域和滲流區域內的土體性質有很大影響，這已經日益引起人們的關注和認識。
事實上，“非飽和土力學行為受地表水流狀況的影響，遠大于受非飽和土區域厚度的影響?！币虼?，如何確定環境狀況對非飽和土區域的影響，就需要用VADOSE/W軟件來進行建模分析了。
VADOSE/W軟件可以應用于巖土工程、采礦、水文地質學、工業和民用工程項目的設計和分析中。
VADOSE/W軟件的特點：
? 基于覆蓋土層厚度和土質特性參數的面層單元網格。
? 復雜土層覆蓋的地質巖層建模分析。
? 在求解時使用自適應時間步長來保證計算的收斂和每個天然氣象數據的邊界條件。
? 基于粒徑信息和基本參數，估計土體的特性參數。
? 使用隨時更新的全球氣象數據庫資料或加入某一特定區域的氣象數據。
? 可以指定總太陽輻射或潛在水汽蒸發作為氣象數據，或讓VADOSE/W軟件自己估計能量成分。
? 提供與DXF、WMF、EMF或BMP格式文件的接口，并可以將計算結果以這些文件格式輸出。
? 計算邊界面上的流量：對滲流區域進行建模分析的關鍵問題是預測準確的面邊界條件。
展開 因而，研究非飽和土的流-固耦合問題具有重大理論和實際意義。
施工過程對環境的影響
一般地鐵車站工程具有開挖跨度大、臨時支護和工法轉換頻繁、時空效應顯著、地質條件復雜、邊界環境條件限制嚴格、施工難度和風險極大等特點。地鐵車站建設中的工程問題具有材料非線性、幾何非線性、邊界非線性、時空效應等特點。
以地鐵車站作為工程背景，研究地鐵車站施工過程中支護結構、圍巖和近鄰重要環境對象（橋基、管線、建筑物等）的力學響應和安全控制，為地鐵車站的動態設計和動態施工管理提供理論依據和指導，為施工安全提供技術保障和科學決策。
邊坡穩定的剪切帶計算
應變局部化現象在巖土工程中大量存在，最為典型的就是土體失穩時形成的剪切帶。
剪切帶形成的研究對于評價土工結構物的安全性和穩定性等問題具有重 要意義。剪切帶現象的本質是材料的不穩定性，材料不穩定研究中的一個十分重要的問題是多尺度和標度律的問題。在材料發生不穩定性時，不同的物理過程，不同的微－細觀結構，在某個時間尺度內，將以其特有的動力學行為，在某個特征尺度上表現自己，它對計算力學構成了嚴重的挑戰。
降雨入滲條件下非飽和土邊坡分析
地球表面很大一部分處于干旱或半干旱地帶。因此，工程中遇到的土大多數都處于非飽和狀態，濕陷性黃土、膨脹土、熱帶殘積土和人工填土等都是典型的非飽和土。
非飽和土是固－液－氣三相復合介質，其物理性質較復雜。降雨入滲是一種典型的非飽和流固耦合現象，需要研究雨水入滲的瞬態滲流場、土坡變形以及各種邊界條件的影響。分析非飽和流固耦合過程要考慮多因素控制方程，并求出各種邊值問題的解。探討滲流－變形耦合場來研究降雨入滲滑坡，是目前環境地質災害和巖土工程需要展開的工作。
節理材料的邊坡穩定性分析
巖石是一種非常復雜的材料。
展開 當降雨強度大于邊坡土體速度時, 一方面淺層土體迅速達到暫態飽和，坡面形成地表徑流，對坡面造成沖刷；另一方面雨水滲透到內部，土體的含水量不斷增大，引起邊坡滲流場的變化，并產生一定的滲流力，同時作用在土體上的動水荷載和靜水荷載也增大，土體抗剪強度降低，使邊坡的穩定性降低，甚至導致邊坡產生滑動破壞。
實際工程中，邊坡一般為非飽和土體邊坡。基于非飽和土土力學理論，降雨影響邊坡穩定性及誘發邊坡失穩的機理主要有以下四個方面[5]：
（1）雨水入滲引起基質吸力降低。非飽和土內的吸力會因外界入滲和蒸發的作用而重新分布。降雨入滲使邊坡非飽和帶土體的吸力降低，產生暫態飽和，土體達到塑性狀態，有效凝聚力和有效內摩擦角大幅下降。降雨強度愈均勻，持續時間愈長，邊坡穩定性安全系數愈低，這是造成突發性滑坡的根本原因。
圖 3 降雨導致非飽和土基質吸力的變化
（2）雨水導致邊坡土體軟化：降雨后，地下水位升高，水力坡度增大，造成滲透壓力的改變， 同時土體浸濕軟化（強度軟化和應變軟化），導致邊坡穩定性降低。
（3）地下水位的上升。一方面地下水滲流過程對土顆粒施加壓力，同時可使粒間易溶的膠結物流失，使顆粒間的粘聚力和內摩擦系數降低。另一方面，坡體的動水壓力和靜水壓力增大，在基巖風化面或隔水的各種黏土層處形成軟弱滑動面，促使和加速滑坡體的滑動。而對于砂土，水位上升導致的孔隙水壓力的突然增大，有可能引起土體的液化。這都會使邊坡穩定性大幅降低。
（4）降雨對邊坡坡面沖蝕。當降雨強度大于入滲強度時，坡面會產生下流水力沖刷。沖蝕導致邊坡失穩的機理為：濺蝕—面蝕—細溝沖蝕—淺溝沖蝕—崩塌—滑坡。降雨及其形成的坡面流是沖蝕的動力來源。
圖 4 人工排土邊坡水力沖刷
二、降雨造成邊坡失穩的有限元仿真
剛體極限平衡法是工程中應用最早，計算理論體系最為完備的分析方法。
展開 巖土工程有限元軟件PLAXIS從2011版開始，可以進行非飽和土滲流，并進行滲流-變形耦合計算。
有了這一功能之后，能較為方便地考慮降雨對邊坡穩定性的影響（滲流和變形耦合，安全系數計算方法為強度折減法）。另一款著名軟件Geo-Studio中，滲流計算和安全性計算是分開的兩個模塊，用戶可以先進行滲流計算、之后把結果導入安全性分析計算中（滲流和變形不耦合，安全系數計算方法為極限平衡法）。
附件的這篇文章（我是第一作者）介紹了相關理論，并提供了一個算例。在PLAXIS用戶中，我是比較早開始嘗試使用這一功能進行邊值問題計算的。
利用PLAXIS軟件計算考慮降雨的邊坡穩定性.pdf
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基于非飽和土土力學理論，降雨影響邊坡穩定性及誘發邊坡失穩的機理主要有以下四個方面[5]：
（1）雨水入滲引起基質吸力降低。非飽和土內的吸力會因外界入滲和蒸發的作用而重新分布。降雨入滲使邊坡非飽和帶土體的吸力降低，產生暫態飽和，土體達到塑性狀態，有效凝聚力和有效內摩擦角大幅下降。降雨強度愈均勻，持續時間愈長，邊坡穩定性安全系數愈低，這是造成突發性滑坡的根本原因。
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Email: zj_sxjt@hotmail.com
Yewei Zheng（鄭燁煒）
武漢大學土木建筑工程學院教授、博士生導師，主要從事土工合成材料加筋土、巖土地震工程、土動力學和非飽和土力學等方面研究，致力于提升重大自然災害和復雜氣候條件下交通巖土基礎設施的韌性和可持續性。
飽和土：這些孔隙完全被水充滿；
非飽和土：只有一部分孔隙被水占據，另一部分被氣體占據；
干土：完全充滿氣體。
土的物理力學性質
土體由土顆粒、水、氣體三部分組成，三相自身的性質及他們之間的相互作用和比例關系，決定了土的物理力學性質（the physical and mechanical properties of soil)。
一、初始條件類
1）初始應力場（含孔壓場）
2）初始孔隙比
3）初始飽和度
4）初始溫度分布
5）初始場變量
二、分析步類型
1）總應力分析
2）有效應力
固結分析（飽和土、非飽和土）
3）熱-力-流耦合分析（同時考慮固結和傳熱）
4）動力分析
需要注意ABAQUS
ABAQUS中的Soil分析步，不僅提供了流固耦合的穩態滲流、瞬態固結的功能，而且提供了針對非飽和土的分析功能。
（3）ABAQUS提供了Geostatic分析步，可準確、靈活得建立濕土（考慮靜水壓力的影響）和干土（不考慮靜水壓力的影響）初始應力狀態。
、非飽和土）
3）熱-力-流耦合分析（同時考慮固結和傳熱）
4）動力分析
需要注意ABAQUS尚不能進行有效應力動力固結問題。
這三點賦予了軟件很高的自由度，可以說任何巖土問題在FLAC3D里面都能實現，比如我現在的Boss（geofem zsoil的版主）就曾經在FLAC3D里面二次開發了適用于基坑開挖模擬的非飽和土HS模型。
FLAC3D前后處理的短板在很長時間里，是通過用戶自己去完善的，可以說FLAC3D是用戶參與開發的優秀開放性平臺。
ABAQUS中的Soil分析步，不僅提供了流固耦合的穩態滲流、瞬態固結的功能，而且提供了針對非飽和土的分析功能。
（3）ABAQUS提供了Geostatic分析步，可準確、靈活得建立濕土（考慮靜水壓力的影響）和干土（不考慮靜水壓力的影響）初始應力狀態。
普遍認為，對于非飽和土的極限平衡穩定性分析，Slope/W的分析結果比Slide2更好一些，因此在加拿大, 大部分土體邊坡穩定性分析使用Slope/W。Anyway, 無論采用哪種方法，材料參數的確定是最重要的，其次是材料本構模型的選擇，包括水壓力的考慮。
3 尾礦壩破壞機理
對于任何巖土穩定性分析來說，數值模擬只是檢查破壞機理的一種手段，更多的是從觀察和試驗中得出破壞機理。
