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非饱和土水力全耦合模型与数值模拟方法研究

胡冉  
【摘要】:无论是300m级高坝,还是高陡边坡、大型地下工程建设,均无一例外地涉及复杂赋存环境下岩土体渗流、变形与稳定控制问题。岩土体渗流与变形的耦合作用以及多场多相耦合过程既是近30年来国际岩土力学领域的前沿研究热点,也是大型水利水电工程、深部岩体工程、核废料地质处置工程等建设中迫切需要解决的关键科学技术难题。本文以非饱和土为主要研究对象,以土体细观结构及其演化为基础,紧密围绕非饱和土水力耦合机理的量化描述、耦合过程的精细模拟、耦合效应的工程控制这一核心科学问题,重点开展了非饱和土水力全耦合本构模型及数值模拟方法等内容的研究。主要研究成果如下: (1)建立了考虑颗粒黏结效应的非饱和土弹塑性本构模型 大量研究表明,非饱和状态下土体颗粒间的黏结效应对其变形具有显著影响。采用单位接触面积上弯液面引起的黏结力,定义了黏结因子这一具有严格物理意义的独立变量,用以表征颗粒黏结效应对非饱和土力学特性的影响。基于试验成果,建立了黏结因子与孔隙比的内在联系,推导了加载一湿陷屈服方程,并在修正剑桥模型的框架下建立了三轴应力状态下非饱和土的弹塑性本构模型。与经典的巴塞罗那模型(Barcelona Basic Model, BBM)相比,该模型仅采用单一屈服面(BBM有2个),模型参数较少(8个,较BBM少4个参数),且物理意义明确,均可通过常规试验确定。试验验证结果表明,该模型不仅具备BBM模型所有的描述能力,还能够描述脱湿引起的弹塑性变形等复杂力学特性。 (2)建立了考虑变形效应的土水特性与渗透特性演化模型 在水力耦合过程中,土体变形及孔隙分布演化对其土水特性具有显著影响。尽管土体孔隙分布的演化模式较为复杂,但试验研究表明,土体在变形过程中,孔隙分布的基本形态未发生显著变化、统计分布特征基本不变。以参考状态孔隙分布函数为基础,经平移和缩放给岀了变形条件下土体的孔隙分布函数,进而建立了考虑变形和滞回效应的土水特征曲线模型。由于变形对土水特性的影响是通过孔隙分布这一细观结构特征表征的,因此模型参数具有明确的物理意义,且可通过常规室内试验确定。采用14组试验数据对该模型进行了验证,很好地揭示了不同加载路径、不同应力状态下,土体的主吸湿、主脱湿、干湿循环和扫描曲线等水力特性。 另一方面,土体的非饱和渗透系数也与土体变形及孔隙结构演化密切相关。传统的Mualem统计模型尽管应用广泛,但该模型假定土体具有刚性的孔隙结构,因而无法考虑变形对土体非饱和渗透特性的影响。通过引入与饱和度相对应的饱水平均孔隙半径这一参量,对传统Mualem统计模型进行了修正,进而与上述土水特征曲线模型相结合,建立了考虑变形效应的土体非饱和渗透系数模型。采用4组试验数据对模型进行了验证,表明修正模型对变形条件下土体的渗透特性演化具有更强的描述能力。 (3)建立了非饱和土水力全耦合热力学一致性本构模型 基于上述非饱和土弹塑性本构模型与土水特征曲线模型,在热力学框架下建立了非饱和土固液气三相系统热力学势的一般形式,导岀了土体骨架变形、毛细滞回和水体流动耗散能的具体表达式,建立了考虑非饱和土上骨架弹塑性变形与毛细滞回效应的水力全耦合热力学一致性本构模型,详细论述了变形过程与毛细滞回过程的耦合机理,采用复杂应力路径下的非饱和土室内试验成果对全耦合本构模型进行了系统验证,表明该模型能够很好地反映非饱和土弹塑性变形与毛细滞回的耦合行为。 (4)建立了土体固液气三相全耦合数学模型与数值模拟方法 基于连续介质力学原理和混合体理论,建立了土体固液气三相耦合数学模型及有限元数位模拟方法。研发了非饱和土固液气三相全耦合数位分析平台,给岀了弹塑性变形与毛细滞回全耦合模型本构积分的全隐式折返-映射(Return-mapping)算法,利用砂柱排水试验成果验证了耦合模型和计算程序的正确性与可靠性。在此基础上,研究了土质边坡在降雨入渗过程中的地下水渗流、气体迁移以及变形和稳定性演化过程,揭示了孔隙气体迁移过程和土体变形过程对边坡湿润锋面的推进以及稳定性变化的阻滞和延缓作用。 (5)依托水布垭工程,开展了高堆石坝非稳定渗流与非线性变形耦合分析 研究了土体固液气三相耦合模型的退化形式,针对水位涨落与骤变条件下具有复杂渗控结构的非稳定渗流问题,建立了与PDE提法完全等价的非稳定性渗流分析抛物Signorini型变分不等式(PVI)提法及有限元数值模拟方法。通过开展矩形砂槽排水试验,验证了PVI方法的正确性与可靠性。依托水布垭工程,对坝体、坝基和地下厂房开展了非稳定渗流与非线性变形耦合分析研究,数位模拟结果与现场实测数据吻合,较好地揭示了水布垭面板堆石坝及地下厂房渗流场与变形场演化的基本特征,为大坝蓄水与安全运行决策提供了理论依据。


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