非饱和土水力耦合模型理论分析与方法研究

发布时间：2017-03-19 12:04

  本文关键词：非饱和土水力耦合模型理论分析与方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：降雨诱发滑坡、天然气水合物的开发、路堤沉降等诸多工程问题均涉及到土体水力耦合问题。在非饱和水力耦合过程中,其控制方程呈现出强非线性特征,要求解出在各种边值条件下,并全面考虑多因素的控制过程是一项十分艰巨的任务。 本文以多孔介质理论以及连续介质理论为基础,紧密结合非饱和土渗流变形耦合机理的数学化描述,从一些基本的本构假设出发,严格推导得到不同初边值条件下的非线性耦合模型。以此为基础,重点开展了非饱和渗流变形耦合在不同边界条件下的解析求解以及非平稳随机性分析等问题的研究。主要研究成果如下： (1)建立不同边界条件非线性非饱和水力耦合理论模型与系统稳定性分析 以由固相与水、空气构成的非饱和土三相连续体为研究对象,基于其中各组分几何结构与运动学特性,结合连续性规律与Reynolds输运定理,以流体流动特征量与吸力、孔隙分布、体积变形间的相互关系为基础,建立非饱和土体中流体流动与变形的耦合模型。针对不同的初始条件与边界条件以及不同状态下的渗流特性,推导出更为简洁一般的非饱和土水力耦合数学模型。此外,基于本构关系一阶Talyor展开与指数型扰动模型,提出判据系统稳定性的一般性条件。由该条件可知,初始饱和度、进气值与出气值的比值、孔隙率的变化以及由非饱和转换为饱和时的速度均会引起耦合系统的不稳定。 (2)求得变换后耦合模型解析解 针对模型的非线性特征,推导出简化耦合模型的变换条件。通过积分变换法求解不同边界条件下一维耦合模型的解析解,并跟相关的数值解对比,确定其有效性。对于二维的水力耦合模型,在不同边界条件下,给出其Green函数的级数形式,最终求得不同边界条件下的耦合模型的解析解。结果表明不同边界条件下的吸力分布是存在很大的差异的。 (3)求得非线性耦合模型同伦分析解 考虑到非线性流情况下的强非线性特征,通过同伦分析法在求解强非线性微分方程时在选择线性算子以及辅助参数上具有明显的优势,求得非饱和非线性渗流-变形耦合模型的同伦分析解。 针对非饱和土固结方程的非线性特征,对于处于地表浅层的非饱和土层,在Richard经验公式与非饱和士固结理论的基础上,将该非线性固结方程转换为线性的微分方程组并求解得到固结问题的解析解。 (4)耦合模型的非平稳随机过程分析 为了考察土体水力特性的空间变异性对非饱和渗流-变形耦合的影响,运用摄动理论法,推导出耦合模型随机微分控制方程。考虑渗透函数与变形参数的变异性,运用有限差分法最终求得控制变量的变异性,结合具体实例分析了耦合模型的变异性特征。结果表明,土体越干燥,水头的变异性越大；水头的变异性对于土体变形较为敏感,尤其是在较为干燥的情形下。 (5)依托广佛肇高速公路项目,在降雨条件下对典型填方边坡进行水力耦合解析分析 为了探讨典型填方边坡的渗流变形特性,首先,研究了非饱和粉质黏土的水力特性以及强度特征。依据实验数据,运用非线性曲线拟合分别得到原状样与重塑样的渗透函数方程。三轴剪切实验结果表明该非饱和粉质黏土的强度特征受干密度与围压的影响较大。然后,依托广佛肇高速公路项目,选取某一典型填方边坡,建立该边坡的水力耦合模型。结合Green函数法与HAM法,推导得到该耦合方程的解析解。最后,针对不同降雨强度,探讨了在降雨条件下边坡的吸力分布与路面处位移变化规律,为填方工程的边坡设计与施工提供理论指导。
【关键词】：非饱和土 水力耦合 初边值问题 非线性特征 随机分析
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU43
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 主要符号列表12-18
• 1 绪论18-26
• 1.1 选题依据及意义18-19
• 1.2 研究现状19-23
• 1.3 本文的主要工作23-26
• 2 非饱和土水力耦合模型理论分析26-47
• 2.1 非饱和土水力耦合理论模型26-32
• 2.2 定解条件32-36
• 2.3 不同边界条件水力耦合数学模型简化形式36-41
• 2.4 耦合系统稳定性分析41-46
• 2.5 本章小结46-47
• 3 不同边界条件非饱和水力耦合模型解析分析47-87
• 3.1 非饱和水力耦合简化变换47-54
• 3.2 非齐次边界可线性化耦合模型解析解54-70
• 3.3 耦合模型同伦分析解70-85
• 3.4 本章小结85-87
• 4 非饱和水力耦合模型随机分析87-102
• 4.1 随机过程87-88
• 4.2 非饱和水力耦合随机理论模型88-90
• 4.3 非饱和稳态渗流变形耦合非平稳随机分析90-100
• 4.4 本章小结100-102
• 5 降雨条件下非饱和土边坡水力耦合分析102-116
• 5.1 工程背景102-103
• 5.2 非饱和粉质黏土水力特性103-107
• 5.3 非饱和粉质黏土强度特征107-108
• 5.4 降雨条件下边坡水力耦合分析108-112
• 5.5 结果分析112-114
• 5.6 本章小结114-116
• 6 主要结论与展望116-119
• 6.1 主要结论116-117
• 6.2 展望117-119
• 致谢119-121
• 参考文献121-135
• 附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文目录135-137
• 附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目137-138
• 附录3138-140
• 附录4140-143
• 附录5143-145
• 附录6145

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈正汉,卢再华,朱元青;非饱和土的理论与实践[J];力学与实践;2001年05期

2 凌华;殷宗泽;蔡正银;;非饱和土受荷后的单向初期变形和固结变形[J];河海大学学报(自然科学版);2007年01期

3 陈建斌;孔令伟;赵艳林;吕海波;;非饱和土的蒸发效应与影响因素分析[J];岩土力学;2007年01期

4 凌华;殷宗泽;;非饱和土二、三维固结方程简化计算方法[J];水利水电科技进展;2007年02期

5 缪林昌;;非饱和土的本构模型研究[J];岩土力学;2007年05期

6 凌华;殷宗泽;;非饱和土强度随含水量的变化[J];岩石力学与工程学报;2007年07期

7 赵义诚;王钊;;非饱和土沉降计算的简化公式[J];岩土工程界;2007年07期

8 查甫生;刘松玉;杜延军;崔可锐;;非饱和黏性土的电阻率特性及其试验研究[J];岩土力学;2007年08期

9 曹雪山;殷宗泽;凌华;;非饱和土受压变形的简化计算研究[J];岩土工程学报;2008年01期

10 李雄威;冯欣;陈建斌;;大气作用下非饱和土湿热性状的计算模型与分析[J];常州工学院学报;2008年05期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 刘泽佳;李锡夔;;非饱和土化学-水力-力学耦合行为数值模拟[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集（下）[C];2007年

2 卞祚庥;白云;叶为民;陈宝;朱合华;;非饱和土的土水特征曲线[A];2004年度上海市土力学与岩土工程学术年会论文集[C];2004年

3 韦昌富;李幻;王吉利;;考虑弹塑性变形和毛细循环滞回的非饱和土本构模型[A];第一届全国岩土本构理论研讨会论文集[C];2008年

4 孙德安;;非饱和土的水力和力学性状耦合的弹塑性模拟[A];第一届全国岩土本构理论研讨会论文集[C];2008年

5 陈正汉;;非饱和土的理论与实践[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年

6 张丙印;王昆泰;;非饱和土污染物抽气清除法及有限元模型[A];中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集（下册）[C];2003年

7 王成华;李广信;王真;;确定非饱和土渗透系数的间接方法简评[A];中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集（上册）[C];2003年

8 李向东;罗晓辉;吴瑞麟;;非饱和土损伤模型与应用[A];第16届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅱ册）[C];2007年

9 赵成刚;蔡国庆;;非饱和土广义有效应力原理[A];第一届全国岩土本构理论研讨会论文集[C];2008年

10 涂平晖;赵慧丽;张弥;;饱和度的变化对非饱和土抗剪强度参数影响的试验研究[A];第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ卷[C];2001年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 张晓冬 阳雄 郑明朗;陈正汉：厚木板钻二十年[N];科技日报;2003年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 丁育青;非饱和黏土动态力学特性及其本构关系研究[D];国防科学技术大学;2013年

2 李纪伟;非饱和土水力耦合模型理论分析与方法研究[D];华中科技大学;2015年

3 刘艳;非饱和土的广义有效应力原理及其本构模型研究[D];北京交通大学;2010年

4 凌华;非饱和土强度变形实用计算方法[D];河海大学;2006年

5 徐炎兵;非饱和土两相流模型及其应用研究[D];中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）;2008年

6 蔡国庆;基于多孔介质理论的土体多场耦合模型及其在非饱和土本构建模中的应用[D];北京交通大学;2012年

7 徐明江;非饱和土地基与基础的动力响应研究[D];华南理工大学;2010年

8 李幻;考虑任意干湿循环变化历史的非饱和土本构理论[D];中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）;2010年

9 韩晓雷;非饱和沙漠地基土的理论和工程应用研究[D];西安建筑科技大学;2005年

10 汪东林;非饱和土体变试验研究及其在地面沉降中的应用[D];大连理工大学;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 孙必雄;降雨入渗下非饱和土填方路基的渗流特性与稳定性研究[D];华南理工大学;2015年

2 高帅;非饱和原状黄土三轴增湿剪切试验研究[D];西北农林科技大学;2015年

3 黄辉;川西山区崩坡积混合土循环荷载作用下非饱和动本构模型研究[D];西南交通大学;2015年

4 蒋振宇;非饱和土中地铁站深基坑支护结构变形研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

5 李小慧;魏家沟滑坡滑带土非饱和蠕变特性试验研究[D];华北水利水电大学;2015年

6 霍攀;两种应力路径的非饱和CH_3COOH污染土强度与变形研究[D];中国矿业大学;2015年

7 毛清志;石家庄地区非饱和土抗剪强度的三轴试验研究[D];河北工业大学;2015年

8 祁晓翔;杭州典型非饱和砂质粉土的力学特性试验研究[D];浙江工业大学;2014年

9 马璐;重庆地区极端气候对非饱和土物理力学性能的影响规律研究[D];重庆交通大学;2015年

10 沈宏亮;非饱和红壤土降雨入渗与强度变化特征试验研究[D];东华理工大学;2015年

  本文关键词：非饱和土水力耦合模型理论分析与方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：256013