非饱和入渗下路堤边坡暴雨工况稳定性分析

9小时前浏览4

前两天在公开分享课中与大家一起进行comsol软件的实操，主要涉及均质土坡的地应力平衡、多土层土坡的地应力平衡及强度折减法的实现，使用这个软件的目的是让大家更清晰的认识数值分析，因为这个软件每一步都有其详细的实现方程，可以让大家知其所以然，但是对于岩土工程来说comsol的实现步骤有点难度，主要有以下两点：

（1）边坡坡形不规则，多段线的间断点多，且有挡墙、锚杆等结构物网格划分较为麻烦，不能快速分析，而且经常不收敛，虽然我也查找了许多文献，比如通过在瞬态分析的当前研究中加一个稳态场、或者加一个阶跃函数，这些在规则模型中可以较好的收敛，但我想算的目标文件却怎么也实现不了，当然这也和我对此软件认识不足，网上教程少有关；

（2）每一步对于渗流场需要有理查兹方程、达西定律和固体力学三个模块，来回操作时间有点较长，还是比较符合科研，对生产来说有点“吃力不讨好”，当然主要还是收敛结果的问题，当然本软件确实是有独到之处，我也很喜欢，奈何教程较少，自己琢磨很多次也未达到好的效果，所以如果用comsol的一个规则边坡模型来和大家讲非饱和入渗，大家后面自己操作肯定也会遇到我这样的问题，咱还是回归老本行吧。

geostudio大家接触比较多，我就不说了（如果大家普遍对geostudio感兴趣那么我就单独来一场geo的直播分享会），今天主要和大家分享flac3d的非饱和入渗分析，flac3d虽然没有内置VG模型，但是可以通过fish语言实现（怎么实现现在不需要命令流到处找了，问deepseek），或者直接采用内置的渗流计算模型得到的结果与geostudio基本相当，但是云图的效果更具冲击力，但flac分析和其他软件有许多点不相同，所以有必要和大家分享下我的心得：

（1）边坡非饱和入渗稳定性分析中会涉及到“负孔隙水压力”，其对有效应力起有利作用，基本公式如下：

flac与其他软件不同，其约定为拉为正、压为负，因此在流固耦合计算中也是相同的，这就是为啥大家看到负孔隙水压力云图为什么是正的原因；

（2）FLAC中的渗透系数（permeability）单位为m^2/pa/sec，因此与土力学中的渗透系数具有公式相关，不能直接用来计算，这也是为什么许多同仁问他的渗流算了3天咋还没算完，这里其实有个公式，一般观察机器步和真实时间的关系，按1s等于50步来算，总步数除以50步再乘以目标时步（timestep）即能大致知道你将在跑完这个渗流需要多长时间，因此k转化为flac中的需要乘以1.02*10^-6。

（3）流体体积模量常数不超过2e9pa，实际土壤中，孔隙水会含气泡空气，降低了其标贯体积模量，此值的大小直接关系收敛的快慢，陈育明老师的书中详细提到了此点，并有建议计算值：

（4）许多同仁说我算完非饱和土入渗，再计算边坡稳定性总是报错，算不了，最简单的实现方法是“一关一开”，计算前开渗流，计算完成后关闭再来算稳定系数，计算时长就是你的目标时间换算成s，比如我想计算72h，实现如下：

在案例模型中，计算时间并不算太长，半小时跑完，吃饭的时候可以让它动起来，毕竟项目中需要计算的路堤降雨入渗典型断面不多，这样时间可以有机结合起来。

入渗最终结果如下，与geostudio结果相似，但我参数选取有所差别，这个我后面会提出，comsol没算出来总是不收敛，因此没法放图了

：

（5）计算边坡稳定性降雨入渗会影响有效应力的分布，抗剪强度参数为有效抗剪强度参数，不需要另外折减，但有的同仁就是不太相信，就想和geostudio软件计算结果比较，那么我们可以通过编制fish语言将边坡模型的饱和区强度参数进行折减（假设为soil1一层土）。

那么我就来比一下，采用fish语言编写“二次人为折减”的边坡稳定性计算结果为0.824，未人为折减的计算结果为1.150，有效应力分布与不编写折减的相同，geostudio给出的答案是1.167，与未人为折减的计算结果比较接近，同时我用geostudio是采用计算的浸润满重新赋值折减强度计算，这是因为geostudio内置计算方法除抗剪强度参数外需提前假定与基质吸力相关的摩擦角，这个比较具有个人操作因素，而且geostudio在无地下水的稳态渗流场中的初始负孔隙水压力给的非常大，这点我一直想不太明白，不过这是我的个人理解原因，因为在comsol中稳态场需对坡面赋值-9800pa，这样避免负孔隙水压力过大导致结果失真，geostudio没有提到，因此这也是我采用饱和非饱和分区计算的原因，更好理解，但饱和区域的参数还是人为的折减，不如flac更符合有效应力原理。