考虑饱和-非饱和渗流场和应力场耦合的三维强度折减有限元程序研制

探索考虑饱和-非饱和渗流场和应力场耦合的三维强度折减有限元技术,并研制成功一个考虑饱和-非饱和渗流场和应力场耦合的三维强度折减有限元程序,通过与传统极限平衡法分析结果对比研究,对抗剪强度折减有限元法分析边坡稳定问题的适用性进行了评价,得出采用三维强度折减有限元法确定考虑饱和-非饱和渗流场的边坡稳定性安全系数是可行的结论.     

非饱和土渗流与变形耦合问题的有限元分析

基于多孔介质力学原理,建立能模拟非饱和土两相流动与变形耦合问题的理论模型。利用Galerkin法对控制方程进行离散,得到控制方程的有限元计算格式。在此基础上,自主开发了有限元计算程序U-DYSAC2,并对Liakopoulos两相流动试验这一经典算例以及重非亲水相流体（DNAPL）在饱和多孔介质中迁移的离心模型试验进行了数值模拟。计算结果表明,理论预测与试验结果基本吻合,验证了所提出的分析方法在模拟非饱和土渗流以及变形问题时的有效性,从而为定量研究饱和-非饱和渗流以及变形问题提供了一条有效途径。     

降雨条件下岩土饱和-非饱和渗流分析

基于Buckley-Leverett两相渗流方程,提出了新的岩土饱和-非饱和渗流数学模型,利用有限差分方法给出了隐式压力显示饱和度数值求解方法,编制了饱和-非饱和渗流计算程序.结合工程实例,模拟了降雨入渗条件下边坡岩体渗流场孔隙压力变化和含水饱和度变化,模拟结果验证了所提出的模型对饱和-非饱和渗流的有效性.     

非饱和黏土的张拉-剪切耦合强度研究

非饱和黏土中液相与固相基质间的相互作用,依据其形成机理的不同可分为毛细作用和物理-化学作用,目前建立的非饱和土强度模型多是基于毛细机理建立的,忽略了后者对土体强度的贡献。现有非饱和土强度理论仍建立在土体受压缩剪切作用的基础上,不适用于分析土的抗拉强度和拉剪耦合强度。为了能够全面地、合理地描述非饱和黏土的强度作用机制,建立了一个适用于非饱和黏土的二元介质压剪强度模型,将非饱和黏土抽象为理想毛细部分和理想吸附由两个理想部分组成,针对两者分别建立了理想强度公式,利用参与函数反映土中两种理想部分所占的比重,描述实际情况下土体的强度特征。在压剪强度模型的基础上,通过考虑非饱和黏土中的拉剪联合作用,建立了非饱和黏土的张拉-剪切耦合强度模型,给出了张拉-剪切耦合强度公式。利用强度模型对非饱和黏土的压剪强度及张拉-剪切耦合强度进行预测,预测结果和已有试验数据的对比结果表明所建模型能够较好地描述非饱和黏土的强度特征。     

土质边坡非饱和渗流场与应力场耦合数值分析

阐述了坡面径流-非饱和渗流分析与应力场耦合分析的重要意义和作用;介绍了在非饱和渗流分析中具有重要作用的土-水特征曲线,包括考虑固结压力条件下的土-水特征曲线,并介绍了部分试验成果以及坡面径流-非饱和渗流耦合分析的计算方法;提出坡面径流-非饱和渗流分析与应力场的耦合计算方法,并编制相应的有限元程序;通过算例对比了耦合与非耦合情况下应力场、渗流场的差异,说明耦合分析更符合实际,且所提出的方法是切实可行的。     

基于流-热耦合模型的土石坝渗流热监测研究

为有效应用基于分布式光纤测温的渗流热监测技术,需研究待监测区的背景温度场特征。为此,建立了土石坝饱和-非饱和瞬态渗流场与温度场耦合模型（流-热耦合）,模型考虑了热对流、热传导和热扩散效应,温度边界按周期性气温考虑,且相关参数按非线性考虑,如流体黏度的热效应、导热系数受含水率影响等,其仿真结果更接近土石坝温度场的真实状态。基于典型算例,讨论了与大气温度相关的周期性波动温度场特征。计算结果表明：温度场受坝体渗流和气温的影响,库水及气温是两个重要热源,饱和带的温度受库水渗流控制,非饱和带主要受气温控制,具有季节波动特征;在土石坝心墙部位若发生集中渗漏,渗漏通道附近岩土体的温度受库水影响;若在心墙上敷设分布式光纤传感器,很容易捕捉到渗漏点位置及渗漏发生的时刻。渗流热监测技术在理论上可以反映渗流场的时空分布特征,在资料分析中还应关注由气温波动引起的温度异常。     

泄洪雾雨区裂隙岩质边坡饱和-非饱和渗流场与应力场耦合分析

岩质滑坡除与地质条件、降雨等因素有关外,泄洪雾雨也成为其不可忽视的催化剂。通过裂隙岩体渗透性与应力关系,裂隙岩体的弹塑性本构关系以及渗流场的控制方程,建立起饱和非饱和渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型。编制了有泄洪雾雨影响的饱和-非饱和渗流与应力耦合三维有限元程序,通过迭代求解达到两场耦合目的。以实际工程为例,根据边坡的地表信息、开挖信息、岩层分界信息以及排水洞和帷幕信息等,建立起边坡地质模型。通过耦合计算,详细分析了耦合后边坡岩体的变形、应力以及塑性区等。计算结果表明,雾雨区的边坡稳定与渗流场变化有着重要关系,在评价边坡稳定与否时,要考虑渗流场对其影响。计算成果为实际工程的安全评价提供了一定的科学依据。     

岩石裂隙毛管压力-饱和度关系曲线的试验研究

介绍了三峡花岗岩体裂隙毛管压力-饱和度试验。试验采用互不溶混驱替法。试验结果表明,在渗流基本特征方面,裂隙非饱和渗流毛管压力-饱和度关系曲线与空隙介质水分特征曲线具有相似性,如毛管压力-饱和度关系曲线的滞后现象;湿润流体(水)的排泄曲线具有进气压和束缚水饱和度;非湿润流体的吸湿曲线具有残余饱和度。这种相似性表明,孔隙介质非饱和渗流的研究成果可用于裂隙非饱和渗流,孔隙介质水分特征曲线的解析模型,可用于研究裂隙毛管压力-饱和度关系曲线和拟合毛管压力-饱和度排泄曲线的试验数据。     

裂缝性低渗透油藏流-固耦合数值模拟

根据低渗裂缝性砂岩油藏的储层特征,建立适合裂缝性砂岩油藏渗流的等效连续介质模型;通过实验得出有效压力改变对储层孔隙度、渗透率影响的规律;考虑低渗透油藏渗流时启动压力梯度和低渗储层的流-固耦合特性,将渗流力学与弹塑性力学相结合,建立起适合低渗透油藏的流-固耦合渗流数学模型,并给出其数值解.在黑油模型和弹塑性有限元程序的基础上,编制了计算低渗透油藏流-固耦合渗流的计算软件.通过数值模拟和不考虑流-固耦合时的计算结果相比,可以看出低渗油藏中流-固耦合效应十分明显.     

压力溶解对颗粒聚集岩体中热-水-应力耦合作用的弹塑性有限元分析

将Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型引入笔者所研制的孔隙介质热-水-应力耦合有限元程序中,并使用摩尔-库仑准则,针对一个假设的实验室尺度且位于饱和石英颗粒聚集岩体中的高放废物地质处置库模型,拟定弹性分析和弹塑性分析两种计算工况,进行4 a处置时段的数值模拟,考察了岩体中的温度、颗粒界面水膜及孔隙中的溶质浓度、迁移和沉淀质量、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力及塑性区的变化、分布情况。结果主要显示：弹塑性分析中由于应力调整和增大了分子扩散系数,使得塑性区的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀有明显的变化,并对渗流场（孔隙水压力及流速）和应力场产生显著的影响。但两种工况弹性区中的颗粒介质的溶解、迁移和沉淀差别较小。     

孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟

深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体(分辨率3.7μm)为研究对象,在空间节点数多达64 000 000的情况下,基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数,并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现,结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD(即10^-13m^2)量级,远低于规则堆叠的圆球结构(>20 000 mD);土壤的迂曲度为1.40~1.60,明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明,渗透率大的样品具有较小的迂曲度,这与结构的空间异质性有较强的关系;土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性;在水力梯度一定的前提下,渗透率较大的样品,纵向弥散系数也较大;同时,结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟,可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。     

孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟

深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体（分辨率3.7 μm）为研究对象，在空间节点数多达64 000 000的情况下，基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数，并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现，结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD（即10^-13m²）量级，远低于规则堆叠的圆球结构（>20 000 mD）；土壤的迂曲度为1.40~1.60，明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明，渗透率大的样品具有较小的迂曲度，这与结构的空间异质性有较强的关系；土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性；在水力梯度一定的前提下，渗透率较大的样品，纵向弥散系数也较大；同时，结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟，可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。     

Correlation of unsaturated soil and dielectric property for monitoring of subsurface characteristics: development of unsaturated dielectric mixing models and its application

The behavior due to rainfall infiltrating the ground plays a role in landslides, groundwater recharge and various other ground responses. Most of these geotechnical behaviors have a correlation between soil pore space and soil volumetric water content in the unsaturated and saturated soil porous media. Therefore, the soil porosity associated with soil pores and the distribution of volumetric water content are significantly important hydrological characteristics. In the case of shallow slope failure such as landslide, the infiltration activity due to the connectivity of soil pore spaces in a porous media is induced. Slope failure may be attributed to the effect of a wetting front with the slope due to liquid infiltration, which changes the volumetric water content, soil matric suction and shear strength of the slope. This study was performed with an unsaturated injection test using a frequency domain reflectometry (FDR) dielectric device which measures the dielectric constant of unsaturated soil and the study then proposed the unsaturated dielectric mixing models to calculate soil porosity and effective porosity of unsaturated soils. From the experimental results the ratio of effective porosity to porosity of soils are measured in a range of 70–85%. These experimental results show a decrease of about 5–10% for unsaturated soil compared to the ratio of effective porosity to porosity of saturated soil. The infiltration passages of tracer material are restricted within the pore connectivity in the unsaturated soil which is caused by dead-pores in the soil. Using the FDR device and the unsaturated dielectric mixing models, we can consider the acquisition of physical properties to detect the infiltration activity, the response of the dielectric constant along with the injected tracer and hydrological parameters for the unsaturated soil porous media.     

考虑毛细滞回效应的非饱和多孔介质渗流与变形耦合本构模型

在Wheeler本构模型框架的基础上,提出了一个水力与力学耦合的本构模型。该模型中的土-水特征曲线采用毛细滞回内变量模型,能够更好地描述水力历史变化下毛细滞回现象对非饱和多孔介质变形的影响,同时也可描述非饱和多孔介质变形对渗流的影响。非饱和土的强度不仅与吸力有关,而且受到饱和度的影响。相同的吸力下,土样经过吸湿和脱湿路径的饱和度不同,因此,非饱和土的强度也不同。此模型以体积含水率的塑性变化和体变的塑性变化为硬化参数,不仅能描述基质吸力对非饱和土的强化作用,而且考虑了饱和度对强度及变形的影响。试验结果与模型预测基本吻合,证明该模型能够模拟非饱和土的主要特性。为了简化,此模型是在各向同性荷载下推得的,有待于推广到一般的应力状态     

Numerical modeling of multiphase fluid flow in deforming porous media: A comparison between two- and three-phase models for seismic analysis of earth and rockfill dams

In this paper, a fully coupled numerical model is presented for the finite element analysis of the deforming porous medium interacting with the flow of two immiscible compressible wetting and non-wetting pore fluids. The governing equations involving coupled fluid flow and deformation processes in unsaturated soils are derived within the framework of the generalized Biot theory. The displacements of the solid phase, the pressure of the wetting phase and the capillary pressure are taken as the primary unknowns of the present formulation. The other variables are incorporated into the model using the experimentally determined functions that define the relationship between the hydraulic properties of the porous medium, i.e. saturation, relative permeability and capillary pressure. It is worth mentioning that the imposition of various boundary conditions is feasible notwithstanding the choice of the primary variables. The modified Pastor–Zienkiewicz generalized constitutive model is introduced into the mathematical formulation to simulate the mechanical behavior of the unsaturated soil. The accuracy of the proposed mathematical model for analyzing coupled fluid flows in porous media is verified by the resolution of several numerical examples for which previous solutions are known. Finally, the performance of the computational algorithm in modeling of large-scale porous media problems including the large elasto-plastic deformations is demonstrated through the fully coupled analysis of the failure of two earth and rockfill dams. Furthermore, the three-phase model is compared to its simplified one which simulates the unsaturated porous medium as a two-phase one with static air phase. The paper illustrates the shortcomings of the commonly used simplified approach in the context of seismic analysis of two earth and rockfill dams. It is shown that accounting the pore air as an independent phase significantly influences the unsaturated soil behavior.     

考虑固结效应的溶质传输研究

传统的孔隙介质水动力学采用对流-扩散方程,研究溶质在流体中的迁移。在这个过程中,孔隙介质被认为是不变形的,因而是一个稳态问题。针对二维情况下孔隙介质变形对溶质传输的影响,给出了考虑孔隙介质固结效应的溶质传输方程,并且探讨了该类问题的求解方法。     

非饱和土中圆柱形衬砌隧道的瞬态动力响应

在以往关于圆柱形衬砌隧道的瞬态动力响应中,衬砌周围土体大多假定为弹性介质或饱和介质。然而,自然界中的土体大多为非饱和介质。考虑土体与衬砌结构的动力相互作用及动荷载引起的附加质量密度的影响,研究了瞬态荷载作用下非饱和土中无限长深埋圆柱形衬砌隧道的动力响应。基于多孔介质混合物理论和连续介质力学理论,建立了非饱和土中圆柱形衬砌隧道受到瞬态荷载作用时衬砌及周围土体的控制方程,利用Durbin数值反演法得到了衬砌及土体在时间域的动力响应。数值分析了饱和度对瞬态荷载下径向位移、径向应力、环向应力和孔隙水压力的影响。结果表明：饱和度对衬砌及周围土体的瞬态响应影响显著;饱和度对径向位移沿径向的衰减影响较小,对环向应力和孔隙压力沿径向的衰减影响较大。     

非饱和土广义有效应力原理

综述了非饱和土有效应力的沿革,并就非饱和土有效应力的研究和发展中存在的问题进行了讨论。基于多相孔隙介质理论推导得到的变形功的表达式,提出了非饱和土广义有效应力原理。该原理认为,由非饱和土中的单应力变量的有效应力或双应力变量理论很难唯一地确定非饱和土的变形和强度。广义有效应力原理实质上就是要综合考虑影响非饱和土变形和强度的三种广义应力以及与其对偶的广义变形,给出考虑因素更为全面、理论基础更为坚实的广义有效应力原理。它为非饱和土基本性质的研究和本构方程的建立奠定了坚实而科学的理论基础。     

非饱和粘性土中气体渗透特征

由于气体的进入形成了非饱和带,饱和土层中的气体渗透实质上是非饱和渗透问题。本文借助基于多孔介质气体渗流理论并考虑气体压缩性的、描述非饱和土中气体渗流运动的本构方程,试验研究了上海地区饱和粘性土层中的气体渗透规律。结果表明,饱水粘性土层中,气体渗透存在起始压力值,数值为100～200kPa, 与上海地区粘土的非饱和进气值较为接近;气体渗透速度与外界所施加的压力平方差梯度之间存在明显的分段特征。后者可能与在充满结合水的微孔隙通道中,只有一部分结合水在气压梯度的作用下发生流动,从而形成气体通道,施加的外力越大,形成的气体通道也越大,气体渗流也越明显。非饱和粘性土中气体渗透规律的研究,对于饱和粘土中的气压法施工,具有重要的理论与工程实践意义。     

Propagation of Rayleigh waves in unsaturated porothermoelastic media

Based on the frame of elastic theory for unsaturated porous medium, considering the influence of thermal effect, the propagation characteristics of Rayleigh wave in unsaturated porous media are studied. Firstly, the thermoelastic wave equations for three-phase porous media are established, in which the mass balance equations, generalized Darcy law, momentum balance equations, and generalized non-Fourier heat conduction law are taken into account. Secondly, through theoretical derivation, the dispersion equation of Rayleigh wave for unsaturated porothermoelastic media is given by introducing the potential functions. Finally, the variations of the phase velocity of Rayleigh wave are analyzed with numerical examples. The results show that the thermal conductivity has little effect on the phase velocity of Rayleigh wave. The phase velocity of Rayleigh wave increase with increasing of the thermal expansion coefficient and media temperature.