非飽和土的案例
非飽和土邊坡降雨入滲
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.
鏈接：https://pan.baidu.com/s/1sRp3uZ2_YMVPExf-etvK7Q 密碼：ugb4
來源：ABAQUS在巖土工程中的應用
關于VADOSE/W的特性及應用
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。”因此，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 Abaqus在地下及橋梁工程中的應用
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 梅大高速路面塌方令人痛心，從仿真角度淺談降雨對邊坡穩定性的影響
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 
投稿參賽：利用PLAXIS軟件計算考慮降雨的邊坡穩定性
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
SVSolid的主要特性
軟件可以計算飽和及非飽和土中的應力和變形。自動模型網格劃分，網格細化，不定格式的邊界條件方程以及眾多的土體模型使得SVSolid擁有非常強大的分析計算能力。從實驗室數據到建模分析，輕松完成。
主要特性：
* 全自動模型網格生成；
* 全自動模型網格細化；
* 求解方程的可修改性－用于高級用戶的研究分析；
* CAD風格建模；
* 新用戶建立有效模型的平均時間：30分鐘；
* 方便的模型存儲和調用；
* 全面的教程、使用和理論手冊；
* 多種土體模型，包括鄧肯－張模型；
* 高檔Linux求解可用；
* 支持并行處理。
* 先進的數據報告/可視化；
* 由常量或不定格式方程表示的應力和位移邊界條件；
* 新的土體模型允許飽和及非飽和區域位移的準確描述；
* 可從SVFlux中導入孔隙水壓力；
* 計算分析結果以已知軟件及手算結果為基準做對比。
展開 【轉】ABAQUS在巖土工程的應用優勢
概括起來，ABAQUS的優勢可以歸納為如下幾個方面：
（1）合理的材料本構模型是進行正確分析的關鍵因素，ABAQUS提供了眾多的巖土材料本構模型，能夠真實地反映土體性狀，如土體的剪脹性、屈服性等，適用于從黏土、砂土到巖石的各種巖土材料。ABAQUS擁有摩爾庫侖模型、Cam-Clay模型、Druker-Prager模型等模型，其中Cam-Clay模型是目前很多有限元軟件沒有提供的。另外，ABAQUS提供了開放、靈活的二次開發平臺，通過自定義子程序用戶可以建立特定的模型、實現特定的功能。
（2）土體是典型的三相體，其有效應力對土體的強度及變形影響較大。ABAQUS中的孔壓單元，可進行土體的固結、滲透分析，以滿足這一需求。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。
ABAQUS強大的接觸功能，可正確模擬土體與結構之間的脫開、滑移等現象。
（4）巖土工程往往涉及到復雜的邊界、載荷條件，因此軟件必須具有處理復雜工況的能力。ABAQUS提供了方便的單元生死功能，用于模擬建筑結構的施工過程；還提供了無限元，以模擬地基無窮遠處的邊界條件。
綜合以上特點，ABAQUS可處理巖土工程的大部分問題，在該領域具有優秀的適用性
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概括起來，ABAQUS的優勢可以歸納為如下幾個方面：
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(2)土體是典型的三相體，其有效應力對土體的強度及變形影響較大。ABAQUS中的孔壓單元，可進行土體的固結、滲透分析，以滿足這一需求。ABAQUS中的Soil分析步，不僅tigong了流固耦合的穩態滲流、瞬態固結的功能，而且tigong了針對非飽和土的分析功能。
(3)ABAQUStigong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。
（4）ABAQUS強大的接觸功能，可正確模擬土體與結構之間的脫開、滑移等現象。
（5）巖土工程往往涉及到復雜的邊界、載荷條件，因此軟件必須具有處理復雜工況的能力。ABAQUStigong了方便的單元生死功能，用于模擬建筑結構的施工過程；還tigong了無限元，以模擬地基無窮遠處的邊界條件。
綜合以上特點，ABAQUS可處理巖土工程的大部分問題，在該領域具有優秀的適用性。
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（2）土體是典型的三相體，其有效應力對土體的強度及變形影響較大。ABAQUS中的孔壓單元，可進行土體的固結、滲透分析，以滿足這一需求。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。
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（1）合理的材料本構模型是進行正確分析的關鍵因素，ABAQUS提供了眾多的巖土材料本構模型，能夠真實地反映土體性狀，如土體的剪脹性、屈服性等，適用于從黏土、砂土到巖石的各種巖土材料。ABAQUS擁有摩爾庫侖模型、Cam-Clay模型、Druker-Prager模型等模型，其中Cam-Clay模型是目前很多有限元軟件沒有提供的。另外，ABAQUS提供了開放、靈活的二次開發平臺，通過自定義子程序用戶可以建立特定的模型、實現特定的功能。
（2）土體是典型的三相體，其有效應力對土體的強度及變形影響較大。ABAQUS中的孔壓單元，可進行土體的固結、滲透分析，以滿足這一需求。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。
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（1）合理的材料本構模型是進行正確分析的關鍵因素，ABAQUS提供了眾多的巖土材料本構模型，能夠真實地反映土體性狀，如土體的剪脹性、屈服性等，適用于從黏土、砂土到巖石的各種巖土材料。ABAQUS擁有摩爾庫侖模型、Cam-Clay模型、Druker-Prager模型等模型，其中Cam-Clay模型是目前很多有限元軟件沒有提供的。另外，ABAQUS提供了開放、靈活的二次開發平臺，通過自定義子程序用戶可以建立特定的模型、實現特定的功能。
（2）土體是典型的三相體，其有效應力對土體的強度及變形影響較大。ABAQUS中的孔壓單元，可進行土體的固結、滲透分析，以滿足這一需求。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。
（4）ABAQUS強大的接觸功能，可正確模擬土體與結構之間的脫開、滑移等現象。
（5）巖土工程往往涉及到復雜的邊界、載荷條件，因此軟件必須具有處理復雜工況的能力。ABAQUS提供了方便的單元生死功能，用于模擬建筑結構的施工過程；還提供了無限元，以模擬地基無窮遠處的邊界條件。
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Abaqus在巖土工程中的應用
A BAQUS可以很好地模擬巖土的力學性能及對巖土工程的各個方面進行模擬包括非線性應力- 應變關系、瞬態固結、穩態流變、井點降水、土體液化分析、施工過程、巖土的應力- 變形與穩定性、邊坡應力及穩定性、邊坡和硐室錨固效應分析、路基、底座、深基坑、樁等的承載能力與沉陷分析、土體與鋼筋混凝土道路主體間的相互作用、錨固鋼纜、預應力鋼筋、鋼支撐、隧道加強筋等鋼結構與巖土和混凝土在溫度和外力作用下裂隙的分布與擴展過程模擬。
與其他領域相比，巖土工程中的數值分析有其本身的特點，ABAQUS具備解決巖土工程相應問題的功能，簡要分析如下：
（1）擁有能夠真實反映土體性狀的本構模型，如土體的屈服特性、剪脹特性等。ABAQUS擁有摩爾庫倫模型、Druker-Prager模型、Cam-Clay模型（修正劍橋模型）等，可真實反應土體的大部分應力應變特點。其中修正劍橋模型是很多其他通用有限元軟件所沒有tigong的。另外，ABAQUS還tigong了二次開發接口，用戶可以靈活地自定義材料特性。
（2）土體是典型的三相體，普遍認為土體的強度和變形取決于有效應力，因此軟件必須能夠進行有效應力計算。ABAQUS中包含孔壓單元，可以進行飽和土和非飽和土的流體滲透/應力耦合分析（如固結、滲透等），可以滿足這一要求。
（3）巖土工程中經常涉及到土與結構的相互作用問題，二者之間的接觸特性需要得到正確模擬。ABAQUS具有強大的接觸面處理功能，可以正確模擬土與結構之間的脫開、滑移等現象。
（4）巖土工程數值分析需要軟件具有處理復雜邊界、載荷條件的能力。
展開 Abaqus在巖土仿真分析中能干什么 附ABAQUS巖土工程實例詳解下載
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尚不能進行有效應力動力固結問題。
三、材料模型
1）線彈性（可考慮彈性模量隨某變量（如深度）的變化）
2）莫爾庫倫（常用于砂土、顆粒材料）
3）D-P（可加帽蓋）
4）修正劍橋模型（這也是ABAQUS優于其它一般通用有限元軟件的地方）
5）用戶自定義材料（非常靈活）
四、接觸功能
1）ABAQUS中提供了三種接觸算法。general contact（通用接觸）、contact pairs（接觸對）和contact elements（接觸單元）。通用接觸一般在顯式算法中使用，在顆粒流等包含大規模接觸面等問題中尤其方便。
2）可模擬不同材料界面的力學和溫度相互作用（Interaction），如樁-土接觸面等。
3）ABAQUS提供了不同的約束條件，如Embedded region可模擬土釘，加筋土等。Tie可將兩個區域綁定在一起，網格劃分不連續時也可使用這一功能。
下載地址：ABAQUS巖土工程實例詳解
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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尚不能進行有效應力動力固結問題。
使用非排干脆性指數粗略估算靜態液化(undrained brittleness index)
引言
靜態液化的本質是土的剪切強度突然失去，盡管現代靜態液化分析使用了先進的數值模型【靜態液化模擬(Static Liquefaction)；液化模擬(Liquefaction Modeling)】，但由于我們已經初步掌握了土體的物理力學性質，因此可以使用試驗室三軸壓縮數據和現場CPT測試數據快速進行靜態液化的驗證和評估。本文簡要討論了使用非排干脆性指數評估靜態液化(undrained brittleness index)。
2. 非排干脆性指數
非排干脆性指數IB是Bishop(1971)提出的一個概念，用來評價土的靜態液化。IB=土的屈服強度(峰值強度)減去土的液化強度(殘余強度)，然后再除以土的屈服強度，如下式表示。
IB的值域范圍是[0,1]，IB=1意味著土呈現出非常高的脆性，強度完全失去，而IB=0意味著土在應變過程中沒有失去強度。
3 靜三軸壓縮試驗驗證
靜三軸壓縮試驗與【Duncan-Chang雙曲線模型的材料參數(Hyperbolic Material Model)】中描述的試樣相同，取自1#尾粉土，圍壓Sigma3分別為100kPa, 200kPa, 300kPa和400kPa。從圖中可以看出，沒有明顯的應變軟化趨勢，IB的值趨于0，因而可以推斷出尾粉土的靜態液化可能性不大。
一些研究者也提出了更精細的關系式來計算IB，例如：
4 CPT驗證
一些研究者使用CPT的錐頭貫入阻力估算IB，例如下式：
根據24個鉆孔的統計數據顯示，qc的最大值為6.54MPa，最小值為2.42MPa, 平均值為4.32MPa，如果按照平均值估算，IB值的范圍在0.59~0.71之間，這顯示出尾粉土有一定的靜態液化趨勢。
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