【摘 要】
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无论是高陡边坡,还是大型地下工程、路基工程,都涉及到荷载扰动下非饱和土内渗流场、固相变形场的耦合问题。非饱和土内固-液-气三相互存且相互驱替,在外部降雨及荷载作用下土体内部的多场耦合作用是近年来国际岩土力学的研究热点,也是岩土体工程中迫切需要解决的重要科学问题。建立考虑固相变形对土中流体渗流的影响机理(固相对气液两相的互态影响)以及流体渗流对固相骨架受力产生的影响(气液两相对固相的互态影响)的流固
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无论是高陡边坡,还是大型地下工程、路基工程,都涉及到荷载扰动下非饱和土内渗流场、固相变形场的耦合问题。非饱和土内固-液-气三相互存且相互驱替,在外部降雨及荷载作用下土体内部的多场耦合作用是近年来国际岩土力学的研究热点,也是岩土体工程中迫切需要解决的重要科学问题。建立考虑固相变形对土中流体渗流的影响机理(固相对气液两相的互态影响)以及流体渗流对固相骨架受力产生的影响(气液两相对固相的互态影响)的流固耦合模型是当前研究中需要突破的关键。本文在前人研究的基础上,以非饱和离石黄土为研究对象,分别从固相变形、气液两相渗流出发,梳理其本构方程、控制方程以及耦合关系,提出了考虑固-液-气三相互态影响的流固耦合模型,分析了三相互态作用对非饱和土体内固相变形过程、液相和气相迁移过程的影响,并在其基础上进行了多种工况的数值模拟试验,揭示了不同荷载及边界条件动态激励下非饱和土体变形与渗流的时空演化规律。主要研究结论如下:1.分别阐述了非饱和土内固相变形对气液两相渗流的影响机制以及气液两相渗流对固相变形的影响机制,基于上述理论建立了固相本构方程相关参数(杨氏模量、体积模量、极限偏应力)与含水率的经验函数关系式、液相本构方程相关参数(饱和含水率、残余含水率、土水特征曲线参数)与孔隙比的经验函数关系式,建立了考虑固-液-气三相之间互态影响的流固耦合模型。2.非饱和土中固-液-气三相之间的互态特性对流固耦合作用存在影响。通过对比考虑/不考虑互态影响的固-液-气三相耦合模型变形结果、渗流结果发现,三相间的互态作用使得非饱和土内渗流作用受阻,流体流动减慢、土颗粒产生的变形增大。同时,互态特性对非饱和土体的固相变形过程也存在影响,考虑互态影响的固-液-气耦合模型在加载过程中持续处于压密状态,仅在土体达到饱和时由于孔隙水压力增大有轻微回弹,而未考虑互态影响的耦合模型在模拟过程中仅模型下部土体是上述情况。3.基于考虑互态影响的非饱和黄土固-液-气耦合模型探讨了模型模拟的边界效应。通过改变耦合模型的几何模型宽度与上边界比例,对比不同工况下其固相变形、两相渗流时程演化曲线发现:同一时间、同一空间点处,模型宽度增加使得土体含水率减小、土体变形增大;模型上部水头边界比例增大会使得土体含水率增大、变形增大。另外,上述边界效应存在限度,表现为两相邻工况间的结果差值随着模型宽度以及上部水头边界比例的增大而逐渐减小。4.循环荷载峰值大小与循环周期对非饱和土内固相变形、气液两相渗流演化规律存在影响。通过对比不同荷载峰值与不同周期的循环动载下固相变形、气液两相渗流时程演化曲线发现:增大循环荷载峰值或减小循环周期会使得土体更加致密,流体流动受阻;同一时间、同一空间点处,荷载峰值较大或循环周期较小的工况所模拟的位移绝对值较大、液相、气相饱和度较小;不同工况的模拟结果差值随着荷载峰值的增大(或循环周期减小)而逐渐减小,说明荷载条件对非饱和土体变形和孔隙流体的渗流的影响存在限度。5.上覆水深与降雨强度对非饱和土内固相变形、气液两相渗流演化规律存在影响。通过对比不同深度的水头边界与不同大小的降雨强度边界下固相变形、气液两相渗流结果发现:上覆水头深度或降雨强度的增大使得模型内土体饱和速率加快,并且对土体压密具有一定的促进作用;在同一时间、同一空间点处,较深的水头或较大的降雨速率工况中土体的液相饱和度和纵向位移绝对值均较大、气相饱和度较小;在较大的降雨强度条件下,上部土体产生的位移越大。
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