GEO5土坡模块中的地下水类型

本帖最后由 geo5ruanjian 于 2015-7-10 10:21 编辑

　　介绍了GEO5土质边坡稳定分析模块中支持的地下水位类型及其计算方法。


　　土质边坡稳定性问题在二维条件下进行求解，形成坡体的土层标高可以高于或低于地下水位。地下水作为影响边坡稳定性的重要因素，需要合理定义。下面我给大家介绍下GEO5土质边坡稳定性分析模块中定义地下水的方法以及如何考虑其对边坡稳定性的影响。

1) 地下水位　　
　　地下水位线以多段线的形式输入。它可以任意弯曲，既能完全位于土体中也能部分地出露于地表之上。地下水影响了土体中作用的孔隙水压力值，并减小了土体的抗剪强度。孔隙水压力当作静水压力进行计算：

其中： γw - 水的容重

hr - 水位的换算高度

其中：
其中： h - 孔隙水压力计算点与水位线上对应点间的垂直距离
α - 水位线倾斜角度


　　作用在土体条块某断面上的孔隙水压力合力值的计算公式为：

其中： u - 某点处的孔隙水压力
l - 断面水平长度


　　地下水位线下的分析计算用的是土体的饱和容重 γsat 和地下水产生的浮力；而地下水位线以上部分，分析中使用的是输入的土体天然容重γ。


　　滑面上的剪切力值由下式计算：

其中： T - 沿滑面段的剪切力
N - 滑面段上的法向力
U - 沿滑面段的孔隙水压力合力值
φ - 内摩擦角
c - 粘聚力
d - 滑面段长度


　　如果在分析中使用总应力法（在“岩土材料”界面中输入），则计算参数选用总应力参数且孔隙水压力考虑为零。


2) 考虑毛细水的地下水位
　　毛细水面（吸力面）可以定义在输入的地下水位线之上。在地下水位与毛细水面之间的区域，作用有负孔隙水压力 u。从地下水位线到毛细水面，毛细吸力值，也就是负孔隙水压力值，是不断增加的。

3) 水位骤降
　　初始水位可以定义在输入的地下水位线之上。初始水位模拟的是水位骤降前的状态。

首先，计算初始孔隙水压力u0：

其中： h0 - 从初始水位到计算点 P 处的高度
γw - 水的容重
高度h0一般是孔隙水压力计算点（P）到初始水位线的距离，即当初始水位线在地表以下时此值是有效的。如果初始水位线位于地形线之上，则用计算点 P 到地表的距离 h0 代替（图中的剖面1）。另一种情况是初始水位线与地下水位线一样，都在地表以上，此时高度 h0为地下水位线到计算点 P的垂直距离（图中的剖面2）。


　　第二步是计算从初始水位降低到地下水位时孔隙水压力的变化值：

其中： hd - 初始水位与地下水位间的高度
γw - 水的容重
与上文中孔隙水压力的计算一样，高度hd也分为三种情况。当两水位线都位于地形线以下时，hd为初始水位与降低后的地下水位间的距离。如果初始水位线在地表以上，hd为地下水位线到地表的垂直高度（图中的剖面1）。最后一种情况是两水位线都高于地形线 - 则高度hd为0（图中的剖面 2）。


　　第三步计算最终的孔隙水压力值u。对于所有的土层，孔隙水压力变化值Δu必须乘以初始孔隙水压力折减系数 X，且所有的岩土材料都必须设置该系数值（“岩土材料”界面）。计算时系数X取计算点P所在土层的孔隙水压力折减系数值（不是初始水位与地下水位间的土体）。如果为透水土层，X = 1，其他情况下，X= 0。最终的孔隙水压力为：

其中： u0 - 初始孔隙水压力
X - 初始孔隙水压力折减系数
Δu - 孔隙水压力的变化值

4) 孔隙水压力系数 Ru
　　孔隙水压力系数 Ru为土体中孔隙水压力与土体自重的比值。在 Ru数值为正的区域，计算时采用输入的岩土材料的饱和容重γsat；其它情况下，采用其天然容重γ。
在软件中，通过输入连接Ru数值相同的点构造的 Ru等值线图的方式来输入 Ru的数值。等值线间数值通过线性插值来获得。地应力乘以系数 Ru后便可得到孔隙水压力：

其中： Ru - 孔隙水压力系数
hi - 第i层土层的厚度
γi - 第i层土层的容重

5) 孔隙水压力值
　　软件中可以通过直接定义土体内某截面上的孔隙水压力值u 的方式输入地下水。 在u为正值的区域，计算时采用输入的岩土材料的饱和容重γsat；其它情况下，采用岩土材料的天然容重γ。
　　在软件中，通过输入连接孔隙水压力值相同的点构造的孔隙水压力等值线图的方式来输入孔隙水压力值。等值线间的数值通过线性插值来获得。当计算中需要孔隙水压力值时，可以从边坡内某剖面上的指定点位直接读取。

更多关于土坡中地下水的影响的内容，请参阅《GEO5帮助文档》“理论/土质边坡稳定分析/地下水的影响”一章。

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