非饱和多孔介质动力学模拟的耦合物质点方法

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多孔多相介质(如土壤)力学行为的研究工作已经成为当今科学研究领域的热点问题。在岩土工程中,大量研究工作涉及了多孔介质力学问题,如与边坡失稳相联的土壤面的破坏、地基的破坏以及石油开采中油层破裂诱发的地质沉降等,其相关研究工作具有广阔的工程应用背景。有限元方法的成功提出使得多孔介质的数值模拟成为可能;但是有限元方法存在着许多弱点,如:在处理大变形等问题时出现网格畸变,计算精度随之下降等问题。为了弥补有限元方法的这些弱点,无网格法作为一种新兴的数值计算方法被提出。物质点方法(Material Point Method,MPM)作为具有代表性的一种无网格方法,已经成功地解决了很多力学问题。在岩土工程领域,耦合物质点方法(CouplingMPM,CMPM)的提出,进一步扩展了物质点方法的应用领域,使其能够模拟饱和多孔介质的动力学响应。本文工作的目的是研究用于非饱和多孔介质动力学分析的耦合物质点方法。在细观上,多孔多相介质具有明显的非均匀性与不连续性。从宏观角度,遵从多相介质中各相是均匀连续的,并且同时充满多相介质全域的假设,应用连续介质力学理论框架,可以建立多孔介质力学分析模型,其包括:非饱和多孔介质的质量平衡方程、动量平衡方程以及Darcy方程。本文通过引入气穴模型,假定气体压力为常值,具体给出了非饱和多孔介质的控制方程。本文采用非饱和多孔介质的气穴模型,发展了用于模拟非饱和多孔介质的动力响应的耦合物质点方法。文中建立了非饱和多孔介质耦合物质点方法弱形式离散求解方程,并进行了算例计算。通过同传统有限元方法的比较,验证了耦合物质点方法在分析非饱和多孔介质耦合响应时的正确性和有效性。
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