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解读GEO5各个模块中地下水的类型

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发表于 2014-11-24 16:07:49 | 显示全部楼层 |阅读模式

  在GEO5的各个模块中地下水可以分为两个大类,一类是一维环境(地层尺寸仅包含深度信息)中的地下水,另一类是二维环境(地层尺寸包含深度和宽度信息)中的地下水,在这两大类中又分多种不同情况的地下水。
一. 一维环境中的地下水类型
  在挡墙、基坑等模块中,在地下水界面,会有以下几种地下水类型,如图所示:
11.jpg
1.  无地下水,不考虑水的影响 12.png
  此种情况下不考虑地下水的影响。

  注:如果在地下水位之下有细粒土,应该仔细评估毛细作用带中完全饱和区域对土压力的影响。分析中毛细作用的影响通过增加饱和度来反映,因此输入岩土参数时需要输入 γsat。
  为了区分不同饱和度区域,可以将同种类型的土分为多个容重不同的土层。分析中不考虑负孔隙水压力的影响,但是,对不同饱和度的土层可以采用不同的抗剪强度值,这些抗剪强度值受吸力(孔隙气压力与孔隙水压力的差值,即 ua - uw)的影响。

2. 静水压力,考虑结构后面的地下水 13.png
  墙踵埋入不透水层,结构之下没有水的渗流。水只分布在结构后面,没有水压力作用在前墙面。当结构前面的水在重力作用下自由流动或采用深排水系统时,此种情况可能出现。作用在墙背的静水压力值为:
14.png
  
其中:
  
  
γw
  
  
-
  
  
水的重度
  
  
hw
  
  
-
  
  
水位差
  
15.png
3. 静水压力,考虑结构后面及前面的地下水 16.png
  墙踵埋入不透水层,结构之下没有水的渗流。水压力认为同时分布在结构前面和后面。在自重作用下或通过抽水使结构前面的水位相对于墙后降低。因水位差(图中h1 和 h2 之差),结构前面和后面都作用有静水压力。hw 代表结构前面和结构后面的水位差,如下图所示:
17.png

4. 动水压力 18.png
  墙踵埋入透水层,结构之下有水的渗流,如图所示。为考虑渗流力的作用,对土体容重进行修正来考虑动水压力。该修正依赖于地下水的渗流方向。
19.png
  当计算渗流方向向下区域的土压力时,软件采用下式计算土体容重:
21.png
  当渗流方向向上时,土体容重为:
22.png
  
其中:
  
  
γsu
  
  
-
  
  
土体浮容重
  
  
Δγ
  
  
-
  
  
土体容重的改变值
  
  
i
  
  
-
  
  
平均水力梯度
  
  
γw
  
  
-
  
  
水的容重
  

  
  平均水力梯度为:
23.png
  
其中:
  
  
i
  
  
-
  
  
平均水力梯度
  
  
hw
  
  
-
  
  
水位差
  
  
dd
  
  
-
  
  
向下的渗流路径
  
  
du
  
  
-
  
  
向上的渗流路径
  


  土体容重的改变值Δγ 为:
24.png
  
其中:
  
  
i
  
  
-
  
  
平均水力梯度
  
  
γw
  
  
-
  
  
水的容重
  


  注:如果土体容重改变值Δγ 大于土的浮容重 γsu,则结构前面将出现流土现象——即由于水渗流作用影响,土就像无容重一样,不能传递任何荷载。此时软件出现警告消息,并认为 γ = 0,此时计算结果与原始输入信息已并不相符,且偏于保守。

5. 水压力的特殊分布形式 25.png
  此选项允许用户通过输入纵坐标和孔隙水压来手动输入作用在墙前和墙背不同深度处的水压力。相邻输入值之间的孔隙水压为线性变化。与此同时,还需要输入结构前面和结构后面完全饱和土的深度h1 和 h2,以及结构前面因地下水渗流造成的土体容重的减少值δy。


  结构两边地下水位差异可形成基底渗透压力,用户可通过预判假设其分布规律是线性分布、抛物线分布或不予考虑。通过替换下游地下水位以下部分墙体的容重为墙体容重减水容重的方式来考虑浮托力对结构的影响。
26.png
  在GEO5中当考虑地下水的影响时,还可以考虑充水张裂缝的影响。张裂缝的深度是唯一的输入参数。软件中并没有给出张裂隙的具体位置。因为土体中的张裂缝分布往往非常广泛,很难判断张裂缝的具体分布位置,出于安全的考虑,输入张裂缝时只需要输入张裂缝的深度(不同于岩体需要确定具体位置),软件将自动在滑裂面后缘考虑作用有一条深为h的张裂缝。
27.png


二.二维环境中的地下水类型
  当用户在使用土质边坡或地基固结沉降模块时,在地下水界面,有以下几种不同的地下水类型,如图所示:
31.png
1.无地下水
  此种情况与一维地下水一样不考虑地下水的影响。
2.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:
32.png
  
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
  

注: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。
3.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。

4.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。
33.png

  首先,计算初始孔隙水压力 u0, 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
34.png 35.png
  
其中:
  
  
h0
  
  
-
  
  
从初始水位到计算点 P 处的高度
  
  
γw
  
  
-
  
  
水的容重
  
  
  
  
hd
  
  
-
  
  
初始水位与地下水位间的高度
  


  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:
36.png
  
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
  

5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:
37.png
  
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
  

6.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。


  关于更多更详细的有关GEO5中一维环境中的地下水类型的介绍,可以查阅GEO5用户手册——理论——土压力——地下水的影响章节,二维环境中的地下水类型的介绍,大家可以查阅GEO5用户手册——操作指南——地下水章节。

  用户手册官网下载地址:http://www.geo5.cn/a/jiaochengziliao/wdjc/


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