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武汉岩土所非饱和渗流本构及模拟分析获进展

发布时间:2018-04-12点击量:

  非饱和土是由气、液与固三相组成的多相系统,其力学、水力学性质对地表非饱和带区域的渗流与浅层边坡稳定性至关重要。非饱和带渗流问题关注降雨入渗条件下水在地层中如何迁移及其对土层水力学性质的影响。与饱和土相比,非饱和土渗流问题更复杂,具有水力路径依赖性,其水力耦合过程非线性过程更强烈,仍是目前研究的难点与热点,这些问题的解决对降雨诱发的滑坡与泥石流等地质灾害启动机理具有理论意义。

  中国科学院武汉岩土力学研究所研究员韦昌富率领的科研团队致力于包括非饱和土在内的多相岩土介质力学与工程方面的研究,取得了以下几方面的成果:(1)建立了随机含水量变化下的土水特征关系模型,考虑了较为常见的毛细滞回效应,并考虑了残余含气量效应,这种完整水力滞回模型,解决了非饱和土力学中水力路径依赖性问题;(2)引入内变量建立的水力滞回土水特征本构关系,除两条主边界线外,仅增加一个参数描述扫描线变化,与常见的滞回模型相比,模型更有效且没有增加参数;(3)建立了考虑任意水力路径变化下的非饱和气水两相流的数值分析方法,研制了相关的计算分析程序,并对各种边界条件下的非饱和渗流问题进行模拟分析,结果表明建立的分析方法能够描述间歇性降雨激励下,非饱和土边坡中的水力条件(含水量、压力)的循环演化过程。这类模型的建立为降雨诱发滑坡机理的研究提供了良好的理论基础与分析手段。

  研究工作得到了国家自然科学基金面上、青年基金以及岩土力学与工程国家重点实验室的资助,已获国家软件授权2项。相关研究成果发表在International Journal of Geomechanics、ASCE、《岩石力学与工程学报》、《岩土力学》等期刊上。

  论文链接:1 2 3 4 5

  Figure1.土水特征关系模型预测结果与实测结果对比

  

  (a) 砂土 (b)白恶岩

  Figure2.渗流分析模型预测结果与实测结果对比 (Data from Gillham et al. 1979)

  

  (a) 含水量随时间的变化 (b) 含水量剖面

  Figure3.降雨入渗作用下含水量、孔隙水压力和孔隙气压力分布等值线图

  

  (a) 水力滞回边坡内饱和度分布 (b) 主脱湿路径下边坡内饱和度

  

  (c) 水力滞回边坡内孔隙水压力分布 (d) 主脱湿路径下边坡内孔隙水压力分布

  

  (e) 水力滞回边坡内孔隙气压力分布 (f) 主脱湿路径下边坡内孔隙气压力分布