土体渗流场与应力场耦合研究

【摘要】： 非饱和渗流问题以及渗流场和应力场的相互影响的耦合问题是岩土工程重要的研究内容。很多工程问题都要考虑到非饱和区渗流的影响,对非饱和渗流进行研究无论在理论上还是在工程应用中,都具有十分重要的意义。岩土介质中渗流场和应力场是相互联系、相互作用的,其相互影响体现了两场之间存在耦合关系,把渗流场和应力场作为一个系统,研究和探讨渗流场和应力场的耦合问题,也是有必要的。 本文在总结前人研究成果的基础上,主要研究和探讨了以下三个方面的内容:饱和非-饱和渗流计算的有限元分析;土体渗流场和应力场的耦合计算问题;饱和-非饱和渗流以及渗流场和应力场的耦合计算有限元程序编制。 1.阐述了土体的土水势理论;对非饱和渗流的基本理论、土一水特性曲线和渗透性函数等进行了分析和探讨; 2.从渗流基本理论出发,以总水头和压力水头为基本未知量推导多孔介质三维饱和-非饱和渗流问题的微分方程以及方程的有限元格式;在饱和-非饱和渗流场的有限元分析中,不仅考虑了饱和区的水体渗流情况,而且也考虑了非饱和区的水分运动情况,将饱和渗流场与非饱和渗流场统一起来进行研究,整个渗流场采用一个支配方程。 3.利用有限元自动生成系统FEPG编制了饱和-非饱和渗流有限元程序,对一土坝渗流算例进行了计算,分析了坝前水位发生急剧上升时土坝内部压力水头和自由面推进过程的变化情况,同时利用现有商业软件seep/w对结果进行了验证,表明程序编制合理。 4.以达西定律、质量守恒定律等为基础,推导出了考虑岩土介质孔隙比、饱和度以及密度变化的非稳定渗流场的微分方程和有限元方程;以质量守恒定律为基础,推导出了考虑饱和度变化的土骨架应力场的微分方程和有限元方程。 5.探讨了渗流场和应力场的相互作用的藕合机理,给出了考虑应力场变化影响的渗透系数和饱和度的计算方法。 6.在建立应力场和渗流场控制方程的有限元计算格式后,尝试应用FEPG编制了有限元程序,结合一平面问题算例对该程序进行了应用。