非饱和土边坡降雨入渗模拟分析

在书上关于非饱和土边坡降雨入渗的算例中,渗透系数与饱和度之间的关系是根据图1中的两个经验公式得到的。这两个公式取自文献1,参数也取文献1中的建议值。对一基质压力,分别计算出对应的饱和度和渗透折减系数,然后在abaqus中将渗流折减系数和饱和度相关联。注意到这两个公式实际上与孔压的单位有关。参照文献2,猜测应该用Pa。书里面的数据应该是错的,深表歉意。

非饱和土边坡降雨入渗的图1

图1

算例的说明


1)基质吸力的初始分布

在之前的算例中,初始孔隙水压力随高度线性分布,在水位以上越高,孔压越小(负值)。实际上基质吸力不会那么大。本例中参考文献1(图2),认为孔压最小为-60kPa,即水位以上孔压从0变化到-60之后不再变化。为便于设置,建模时将相应区域分割开(图3).

非饱和土边坡降雨入渗的图2

图2

非饱和土边坡降雨入渗的图3

图3



2)非饱和材料的参数设置

非饱和土需要设置sorption选项,给定孔压和饱和度之间的关系(图4),ABAQUS会根据这个关系确定初始的孔隙比。另外在Permeability中通过子选项设定折减系数与饱和度之间的关系。

非饱和土边坡降雨入渗的图4

图4



3)初始应力的外部导入

先将材料设为弹性,设置一个soil分析步,选为稳态分析,设置所需要的孔压分布边界条件(地下水位在坡脚),通过gravity施加重力荷载,计算得到初始应力分布。

将cae文件另存为一个,改变材料,将第一个分析步replace为geostatic分析步,在load模块中指定初始应力来源为外部数据库(图5,下载cae文件后需按实际情况修改)。如果geostatic分析步不易平衡,可尝试将步长由固定变更为自动。

非饱和土边坡降雨入渗的图5

图5


4)降雨入渗的边界条件

这里通过指定流量模拟降雨。在load模块中create load选择类别fluid中的surface pore fluid,指定降雨量为40mm/h。这里入渗强度和土体参数只是为了演示效果。

土坡坡脚没有设置降雨入渗条件。这是因为本例中地下水位固定在坡脚处,降雨后认为该处孔压仍然保留为0。

非饱和土边坡降雨入渗的图6

图6


5)渗透系数的影响

降雨72小时前后后,孔压的分布如图7所示,可以看到降雨的影响,读者可以选定不同位置的土体单元,观察基质吸力的演化过程。

非饱和土边坡降雨入渗的图7

图7

如果将土体渗透系数下降一个数量级(0.018mm/h),小于降雨强度,水来不及下渗,降雨1.738小时后就已经破坏(图8-图9)

非饱和土边坡降雨入渗的图8

图8塑性应变

非饱和土边坡降雨入渗的图9

图9mises应力

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