非饱和多孔介质应力渗流耦合分析研究

非饱和多孔介质进行应力场渗流场耦合分析时引入多孔介质有效应力原理,探究有效应力参数的确定。根据弹塑性理论,得到应力平衡方程,继而得到应力场方程。根据孔隙介质的连续性方程,得到渗流场方程。在以上控制方程组的基础上,加上定解条件,建立完整的非饱和多孔介质应力场渗流场耦合分析数学模型。通过土石坝的案例分析,得到数学模型在工程应用中的合理性。

基于渗流-应力耦合分析的野鸡尾尾矿坝稳定性研究

基于渗流场与应力场耦合机理,对柿竹园野鸡尾尾矿坝进行稳定性研究。研究渗流-应力的耦合效应,提出了渗流-应力耦合以及渗流体积力计算的实施方案;建立二维的有限元渗流-应力耦合计算模型,分析了考虑耦合效应时的尾矿坝渗流场、位移场、应力场;最终分析了不同耦合关系对于渗流量、位移场、等效渗透集中力以及应力场的影响。研究结果表明:当前水力条件下,尾矿坝稳定性良好;尾矿坝主要受水平渗透力作用,初期坝坝顶、坝脚以及坝底等处应力集中;尾矿坝的渗流-应力作用不容忽视,不同的耦合关系对于x方向位移、渗透力的预测影响巨大;考虑渗流-应力耦合关系得到的主应力、剪应力以及竖向位移,比不考虑耦合效应时大。

各向异性岩应力-渗流耦合问题的反分析

在岩土工程实践中对于诸如各向异性岩体的应力-渗流耦合分析等复杂问题,建立用于同时确定多类参数的反分析方法具有重要意义。以位移量测信息为基础信息,对基于复变量微分法的优化算法(Levenberg-Marquit法)引入异步长因子矩阵Y(k),建立同时反演确定初始地应力、围岩性态参数和渗透系数的协同优化变步长反演算法。对不同的参数借助搜索迭代过程,确定不同的步长因子系数。异步长因子矩阵可使在峰值附近不收敛的参数重新选择搜索方向,使其收敛至精确值。算例表明,异步长因子矩阵可成功地用于协调各类参数敏感性之间的差异,从而有效改进多参数耦合反演的收敛性和收敛速度,使算法具有更好的适应性和有效性,为岩土工程的复杂问题的求解提供一种方法。

渗透动水压力作用下裂隙岩体渗流与应力耦合分析

针对裂隙岩体的渗透水压力使岩体应力产生非常大变化,同时应力变化也影响裂隙岩体渗透性。考虑岩体渗流和应力耦合分析是研究地下水活动规律的首要问题。当岩体以裂隙为主,且其分布较密集时,可将岩体系统看作等效连续多相介质体系。运用等效连续介质理论,建立了等效连续岩体渗流与应力耦合分析的数学模型,充分考虑了渗透水压力和裂隙的存在对岩体应力及孔隙裂隙水压力变化产生的影响。给出了渗流场与应力场耦合分析的工程算例。

降水对桥基影响的三维渗流-应力耦合分析

近邻桥梁进行降水施工时,地层的固结变形导致桥梁基础变形,当桥梁的基础变形过过大时,可能危及桥梁的安全和正常运行。为了预测降水过程中桥梁基础的空间响应和评估其安全状态,建立三维非饱和渗流–应力耦合分析数学模型,同时,运用ABAQUS软件,建立地层、地下水、桥梁相互作用的三维有限元模型。采用直接耦合分析方法,对近邻桥基进行降水施工时的动态降水过程进行三维仿真模拟。模拟结果表明,水位下降10m时,降水所引起的地表最大沉降值为21.37mm,桥基的最大沉降值为19.56mm,相邻桥基的差异沉降不到2mm,表明降水期间桥基没有安全隐患,现有的降水方案是可行的。通过将沉降计算值与现场量测值比较分析,两者数据吻合较好,表明所提出的计算模型和分析方法是合理的,可为类似问题的研究提供了借鉴和参考。

软土地层明挖隧道渗流-卸荷耦合力学特性分析

针对珠三角地区地下水位高、粉细砂地层厚,软土明挖隧道深基坑工程施工开挖过程存在明显渗流-卸荷耦合力学特性等工程技术问题,提出了基于Duncan-Zhang非线性本构模型的基坑工程渗流卸荷耦合力学有限元分析方法,并基于室内GCTS真三轴卸荷力学试验方法获取土体卸荷力学参数与Duncan-Zhang模型参数。在此基础上,利用Midas GTS有限元分析软件,对珠三角某城市下沉式公路隧道施工力学特性进行数值分析模拟,并通过现场施工监测成果验证其合理性。

节理裂隙岩体渗流与应力耦合分析

在总结已有的饱和非饱和渗流模型的基础上,把裂隙岩体看作是离散网络模型,分析研究了含节理裂隙岩体的非饱和渗流特性,建立了裂隙网络饱和非饱和渗流模型,并推导了控制方程.对节理裂隙岩体中外力对裂隙渗流的影响进行了分析研究,提出了渗流场应力场耦合的分析模型,推导出三维应力与裂隙水压力共同作用下一组平行裂隙组的渗流应力耦合关系式.

淋溪河水电站大野坪滑坡体渗流应力耦合分析

软弱夹层的渗流、应力耦合作用是影响滑坡体稳定性的主要因素。为正确评价含软弱夹层的大野坪滑坡体的整体稳定性,基于Biot固结微分方程,采用虚位移原理,按照Goodman单元的形成格式,引入Desai单元控制嵌入的思想,构造了二维4节点耦合薄层单元,给出了能够模拟滑坡体蠕变特性的弹黏塑性本构模型,编制了相应的有限元程序,并用孔压实测数据检验了程序的正确性。同时,对大野坪滑坡体处于正常蓄水位和水位骤降两种工况的渗流场、应力场进行了非线性有限元耦合分析。结果表明:正常蓄水位,滑坡体处于稳定状态;而水位骤降工况,使滑坡体中前部孔隙水压力、位移、剪应力水平等均有大幅度地提高,塑性区沿着软弱夹层向上也有较大发展,致使滑坡体有可能沿着软弱夹层在中前部发生局部折线滑动,对滑坡体的稳定性极为不利。最后,采用刚体极限平衡法,对耦合分析的结果进行校核,两者结论一致。该研究成果为全面评价淋溪河水电站建设的可行性提供了重要的理论依据,建立耦合单元研究软弱夹层耦合特性的方法,为其他含软弱夹层的滑坡体的稳定性评价提供了有益的借鉴。

降雨入渗引起非饱和土边坡破坏的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元分析

为了全面地了解降雨入渗引起的边坡失稳破坏机制,基于有限元-有限差分理论(FE-FD scheme)的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元数值分析方法被提出。程序中采用了Zhang等^([1])提出的以Bishop有效应力和饱和度作为状态变量的非饱和土弹塑性本构模型,从而可以连续地描述在降雨入渗时土体由非饱和状态转化为饱和状态过程中力学特性的变化。同时用Green-Naghdi客观应力速率张量来考虑边坡失稳过程中的大变形问题。程序不仅可以模拟由于降雨入渗引起的水分迁移、孔隙水/气压力变化的过程,而且可以很好地反映出由于降雨入渗所引起的边坡变形、塑性剪切带形成等力学行为。选取室内边坡模型试验为研究对象,用所提出的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元程序来进行数值模拟,并与试验结果对比,验证了所提出的有限元数值方法的有用性。

隧道降水施工地表沉降的渗流-应力耦合分析

根据有效应力分析方法,建立了弹塑性渗流–应力耦合分析理论模型;采用流体体积方法方法来跟踪非稳定渗流场的动态自由水面,开发相应的数值模拟分析程序;并对某地铁隧道工程的动态降水过程和开挖过程进行仿真模拟,对降水和开挖过程中的地表沉降进行重点分析,得出动态变化的地表沉降曲线,通过将地表沉降计算值与现场量测值比较分析,两者数据吻合较好。研究结果表明,降水的影响半径约为30m,降水所引起的地表最大沉降值约为23mm,左右隧道施工完时地表最大沉降值约为43mm,施工期间周围建筑物和地下管线均无安全隐患。而通常采用30mm的控制标准,说明城市地铁工程的沉降控制基准要视具体的工程环境条件而定,这为该工程和类似工程施工提供了依据和参考作用。

排水结构设置后软岩隧洞的渗流-应力耦合分析

高外水作用下,深埋软岩隧洞围岩-支护结构安全将受到极大挑战。为了降低高外水压对软岩隧洞围岩-支护体系的影响,较常见的工程处理措施为在隧洞周围布置排水结构,以降低洞周外水压力。笔者首先提出了一种简便的隧洞围岩-衬砌结构渗流-应力分析思路。然后,以某过断层带深埋软岩隧洞为研究对象,通过开展隧洞施工期、运行期渗流-应力耦合分析,研究了软岩隧洞排水结构的排水效应。研究发现,在注浆圈和排水结构的综合作用下,隧洞衬砌附近的水力比降较小,注浆圈水力比降较大,使注浆圈承担绝大部分外水荷载,而衬砌承担少部分外水荷载;在软岩和衬砌的变形协调作用下,最终形成注浆圈与衬砌的协同承载效应,有效提高了隧洞的运行安全水平。

渗流-应力场耦合作用下苏州工业园区某地下车库基坑的变形分析

地下水渗流对基坑变形的影响成为当前研究的热点,以苏州工业园区某地下车库基坑为例,采用ABAQUS模拟基坑开挖及支护过程,分析基坑开挖过程中的变形及渗流场规律。结果表明:在开挖间歇期的坑外地表沉降量均比同期开挖结束后的沉降量要小,而基底隆起量比同期开挖结束后的隆起量要大。每步开挖间歇结束时,围护墙的水平位移有所减小。随着开挖的进行,围护墙周围的水头等势线越来越密,地面沉降形状为下凹的盆地形状。

非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和分析法研究

研究可以同时考虑渗流、变形与稳定的非饱和土质边坡稳定性分析方法具有重要的理论意义及工程实用价值。基于Fredlund双应力变量理论进行非饱和非稳定渗流-应力耦合分析,同时与传统非耦合渗流方法确定的孔压场进行对比发现,两种方法确定的浸润线变化过程相近,堤底处孔压的最大相对误差为8.8%,验证了耦合分析结果的可靠性。将基质吸力对强度的贡献纳入黏聚力中得到坡体强度参数的空间分布规律,又基于滑面强度参数时空分布规律借助Matlab平台开发了非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和法分析程序。以库水位下降条件下堤坡的稳定性分析为例,将不同方法的计算结果进行对比,发现文中方法搜索得到的滑面位置相对于传统方法要深缓,但总体位置相差不大,不同方法对应的安全系数相差不足0.096,验证了所提方法的合理性。

非饱和多孔介质中混合元法的化学-热-渗流-力学耦合的本构模拟

在文献[1]中建立的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)本构模型基础上,针对文献[2]建立的非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法,发展了非饱和多孔介质中混合元的化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合本构模拟算法。采用非关联流动多重屈服准则模拟非饱和多孔介质的材料非线性行为。推导了u-pw-pa-T形式的包含了耦合率本构方程积分的向后欧拉映射算法和一致性弹塑性切线模量矩阵(单元刚度矩阵)的混合元一致性算法。本文给出了临界状态线(CSL)和状态边界面(SBS)两个屈服准则的一致性算法。数值结果显示了本文所发展的混合元耦合本构模拟算法在模拟由热、化学、力学荷载共同引起的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合行为的能力和有效性。

非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合的混合元法

提出了一个非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法．固相位移、应变和净应力; 孔隙水和气的压力、压力空间梯度和Darcy速度;多相混合介质的温度、温度空间梯度和热流量在单元内均为独立变量分别插值．基于胡海昌-Washizu三变量广义变分原理给出的多孔介质中热-渗流-力学耦合问题控制方程的单元弱形式,导出了单元公式．采用共旋公式进行几何非线性分析．数值结果证明了所提出的单元模拟以应变局部化为特征的渐进破坏的能力．

某抽水蓄能电站围堰渗流稳定性分析

本研究应用FLAC3D对某电站进出水口围堰进行了三维流—固耦合分析 .计算结果表明设置防渗心墙对保证围堰和基础边坡的渗流稳定性是必要的 ,同时指出在施工阶段需要采取加固的部位和措施 .

暴雨与河流水位涨落耦合作用基坑稳定性分析

雨季施工时基坑工程受暴雨入渗以及邻近河流水位涨落耦合作用,容易发生渗透破坏事故。基于裘布依(Dupuit)假定建立分层地基地下水耦合渗流方程,以此确定在暴雨入渗以及河流水位涨落耦合作用下基坑周边地下水位。同时基于渗流-应力耦合分析理论与Midas分析软件,以某基坑工程实例为研究对象,建立基坑工程渗流-应力耦合分析模型,对基坑工程渗流破坏现象进行分析研究,由此得出了对其它工程有重要参考价值的结论。

裂隙岩体渗流场与应力场动态全耦合参数反演

考虑到裂隙岩体渗流和力学行为的发生与发展往往是一个动态过程,同时现场观测资料也是一个动态的时间序列,为能及时利用现场量测的新增信息使参数反演更为合理,基于求解非恒定渗流场与弹性位移场动态全耦合正分析理论与方法,应用建立的混合遗传算法作为优化算法,同时利用水头、位移等多类型动态观测资料,建立了裂隙岩体渗流场与应力场动态全耦合的参数反演思路。为避免在耦合反问题中由于利用多类型量测资料所带来的量纲问题,采用了各时刻水头、位移的相对值来构造量纲一的目标函数。待反演参数同时考虑了力学参数与渗流参数两种类型,包括岩块的弹性模量、各组裂隙的切向与法向刚度系数、各组裂隙的初始等效渗透系数等。最后以一简单裂隙岸坡为算例,针对库水位快速上涨情况,以各时刻的动态全耦合正分析结果作为"假想"的实测数据,进行动态全耦合参数反演。反演结果表明,利用不断新增的实测资料可提高反演精度,最终获得的参数反演解与理论解吻合很好。