基于随机场的非饱和土固-液-气三相耦合分析

论文摘要

实际中的土体大多处于非饱和状态,目前针对非饱和土渗流问题的研究,较多采用的是流-固或气-液两相耦合模型,较少涉及同时考虑固、液、气的三相耦合模型。另外,在研究中,为了方便,主要针对的是均质非饱和土,而事实上由于岩土体的形成过程十分复杂,它的性质往往表现出明显的空间变异性,而非饱和土在考虑空间变异性条件下的多场耦合分析则更为复杂。研究非饱和土的参数空间变异性对渗流-变形及稳定性问题的影响,对实际工程具有重要理论意义和指导作用。本文根据严格的理论推导,得出了固-液-气三相耦合控制方程组,并将三相耦合模型与考虑岩土参数空间变异性的非高斯随机场结合,利用蒙特卡洛法对非饱和土的降雨入渗以及稳定性问题进行了分析,主要工作内容和成果如下:1)建立了非饱和土的固-液-气三相耦合的控制方程组,并引入COMSOL中求解计算。利用两个著名的非饱和土固结试验验证了所推导三相耦合模型的正确性和可靠性。对比了三相耦合模型和两相耦合模型之间的差异,并详细解释了固结过程中,气体的迁移、液体的渗流、土骨架的变形以及它们之间的相互作用。2)采用基于Cholesky分解的中点法对岩土参数随机场进行离散,并使其服从非高斯分布。将岩土参数的空间变异性理论与固-液-气三相耦合模型相结合,对一维非饱和土柱的降雨入渗问题进行分析。对土柱中的水分渗流、气体迁移、土骨架变形进行了研究,利用蒙特卡洛法,详细分析了弹性模量（E）、土-水特征曲线参数（a、n）和饱和渗透系数（Ks）的空间变异性对结果的影响。结果表明,它们的相关距离和变异系数对竖向位移、孔隙水压力、孔隙气压力的均值影响不大,但对标准差影响显著;a和Ks、n和Ks的互相关系数对竖向位移、孔隙水压力、孔隙气压力的均值基本无影响,但对标准差却有着显著影响。3)将一维三相耦合随机模型扩展至二维,采用强度折减法对堤坝稳定性问题进行研究,重点分析了粘聚力（c）、内摩擦角（?）、饱和渗透系数（Ks）、弹性模量（E）的空间变异性对堤坝稳定性系数均值和可靠指标的影响;另外还对降雨边坡模型试验进行了研究,探讨了Ks的空间变异性对边坡降雨过程的影响。结果表明,c和?的水平相关距离对稳定性系数均值基本无影响,但竖向相关距离对其则有较大影响,尤其在变异系数取值高时显著;Ks的变异系数和相关距离对可靠指标有着重要影响;透水性较大夹层的分布对稳定性系数有着重要的影响,当透水性较大夹层位于中下部时,不利于堤坝稳定,而当透水性较大夹层位于中上部时,有利于堤坝稳定;在二维问题中,Ks的相关距离和变异系数对孔隙水压力、孔隙气压力、水平位移和竖向位移的均值和标准差的影响与一维问题类似,但也有不同之处。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景和研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 非饱和土的固-液-气耦合研究现状
•     1.2.2 土体空间变性性研究现状
•   1.3 本文主要研究内容、技术路线和创新点
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 技术路线
•     1.3.3 本论文特色与创新之处
• 第2章 岩土随机场的基本理论
•   2.1 岩土随机场的基本概念
•     2.1.1 随机过程
•     2.1.2 岩土参数随机场的数字特征
•     2.1.3 岩土参数随机场的两个重要性质
•     2.1.4 相关距离
•     2.1.5 岩土参数的空间平均效应
•   2.2 岩土随机场分析的实现
•     2.2.1 岩土参数随机场的离散方法
•     2.2.2 岩土参数随机场分析的实现
•   2.3 小结
• 第3章 非饱和土的三相耦合控制方程组的推导与分析
•   3.1 三相耦合控制方程组的推导
•   3.2 初边值条件与求解方法
•     3.2.1 初边值条件
•     3.2.2 求解方法
•   3.3 验证与分析
•     3.3.1 Liakopoulos排水实验
•     3.3.2 排水实验的数值计算模型
•     3.3.3 三相耦合计算结果的验证分析
•     3.3.4 三相与气-液、流-固耦合模型的对比分析
•     3.3.5 流-固耦合固结问题的分析
•   3.4 本章小结
• 第4章 基于一维随机场的非饱和土柱降雨入渗分析
•   4.1 确定性分析
•   4.2 弹性模量E的空间变异性对土柱降雨入渗的影响
•     4.2.1 E的相关距离δΕ的影响
•     4.2.2 E的变异系数COVE的影响
•   4.3 饱和渗透系数和土-水特征曲线参数的空间变异性分析
• s的空间变异性影响'>    4.3.1 α和K_s的空间变异性影响
• s的空间变异性影响'>    4.3.2 n和 K_s的空间变异性影响
•   4.4 本章小结
• 第5章 基于二维随机场的非饱和土的多场耦合分析
•   5.1 堤坝稳定性问题的分析
•     5.1.1 确定性分析
•     5.1.2 堤坝随机场的模拟与分析
•   5.2 非饱和土坡降雨入渗问题
•     5.2.1 确定性分析
• s空间变异性的影响分析'>    5.2.2 K_s空间变异性的影响分析
•   5.3 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨戒

导师: 吴礼舟,刘卫华

关键词: 非饱和土,随机场,固液气耦合,空间变异性

来源: 成都理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 成都理工大学

分类号: TU43

DOI: 10.26986/d.cnki.gcdlc.2019.000805

总页数: 88

文件大小: 5829K

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