硕士毕业论文——地面沉降过程中渗流与应力应变耦合分析 精品
裂隙岩体温度场—渗流场—应力场耦合问题的近场动力学模拟分析
中文摘要摘要随着国家经济建设的发展，越来越多的岩石工程涉及到多场耦合问题，裂隙岩体温度场-渗流场-应力场的耦合问题已经成为当前岩石工程的研究热点和研究难点。
由于实际岩石工程中裂隙岩体多场耦合作用所处地质环境的复杂性，以及室内试验方法的局限性，数值模拟方法是目前研究裂隙岩体多场耦合作用最有效的手段之一。
近场动力学理论是一种非局部理论，它采用空间积分法描述物质力学行为，在求解不连续问题时能够有效的避免解微分方程而产生的奇异性问题，对于处理材料的不连续问题具有较大的优势，同时由于近场动力学基于非局部理论，能很好的模拟热传导与地下水的渗流问题。
本文根据近场动力学的基本原理，建立了裂隙岩体破裂过程中温度场-渗流场-应力场耦合的数值计算模型，并编制相应的计算程序对该模型进行了验证和分析，论文主要的研究工作如下：①通过在基于键作用的近场动力学理论中引入切向键以模拟材料的剪切变形，从微观机理上完善了基于键作用的近场动力学本构模型，建立了近场动力学微观力学参数与宏观弹性常数之间的关系。
根据近场动力学柯西应力张量，建立了基于非普通状态的近场动力学理论损伤破坏模型，将物质点上的应力转化为键上的应力，并运用最大拉应力强度准则、莫尔-库仑强度准则双剪强度准则来判断键的破坏与否，再将每个物质点上断裂的键的数量与该物质点上包含键的总数的比值作为该物质点的损伤函数。
该模型成功的运用于模拟岩石三维裂纹的起裂、扩展和连接，并且得到了岩石破裂过程的应力应变曲线。
②根据热传导理论，并运用欧拉-拉格朗日方程推导了基于非局部理论的近场动力学热传导方程，建立了近场动力学微导热系数与材料宏观导热系数之间的关系；运用材料的热膨胀特性，将根据近场动力学热传导方程求解出的温度场转换为近场动力学物质点的变形梯度张量，再将变形梯度张量代入非普通状态近场动力学的力状态函数中，从而实现了岩体温度场与应力场的耦合。
③根据达西定律，推导了基于非局部理论的近场动力学渗流基本方程，运用质量守恒原理建立了一维和二维情况下宏观渗透系数与微观近场动力学渗透系数之间的关系。
渗流_应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工特性及其动态行为研究
对大变形问题的处理有 3 种方法：完全拉格朗 日法、更新拉格朗日法和欧拉法。因拉格朗日法的 坐标附着在物质点上，易于引入本构关系和处理自 由表面外载问题，因此多采用此种方法。拉格朗日 法以增量方法求解，即从时刻 t 到 t t 求解期间， 必须先选定一个已知状态的构形作为参照构形，以 定义克希霍夫应力张量和格林应变张量。完全拉格 朗日法取 t0 0 时刻的构形作为参照构形，而更新 拉格朗日法在时步 [t，t t ] 增量求解期间的所有 变量，均以这个时步的开始时刻 t 的构形作为参照 构形来定义[13]，随着时步的变化，参照构形也在不 断改变[14-15]。本文采用更新拉格朗日法建立黏土岩 大变形渗流–应力耦合分析模型，在分析区域内假 定岩土介质的骨架为均质弹塑性体，孔隙水流动服 从达西定律。 2.1 物质描述的大变形控制方程 在饱和岩土介质中，用克希霍夫应力张量表示 的总应力增量[15]为 Sij Sij ij pow
收稿日期：2011–03–31；修回日期：2011–04–28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(41102182)；中国石油科技创新基金项目(2011D–5006–0603)；湖北省自然科学基金资助项目(2011CDB008) 作者简介：贾善坡(1980–)，男，博士，2002 年毕业于中国石油大学(华东)土木工程与石油工程专业，现任副教授，主要从事岩石力学与工程方面的 教学与研究工作。E-mail：jiashanporsm@
，
(1. 长江大学 城市建设学院，湖北 荆州 434023；2. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061； 3. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071； 4. Euridice，SCK• CEN，国家核能研究中心，比利时 摩尔 2400)
地面沉降论文
地面沉降是孔隙水承担的孔隙水压力和土骨架承担的有效应力发生变化的结果。
产生地面沉降的原因包含两个部分自然因素和人为因素。
开采地下水是产生地面沉降的人为因素，松散未固结土层的存在是地面沉降产生的自然因素。
因为地面沉降机理的复杂性，目前学术界尚未有一个完整的定论。
但是鉴于地面沉降范围广，含水层因开采地下水引起的压缩量相对于含水层厚度相比太小，可假定土颗粒间无胶结，即土颗粒间作用力忽略不计汇，，运用一维太沙基固结理论中的有效应力原理近似地解释开采地下水所引起的地面沉降演变过程，这是目前学术界普遍应用的一种理论。
土体的有效应力原理根据有效应力原理，饱和土体中任何一点的法向总应力不随着时间变化。
开采地下水之前，含水层上覆荷载由含水层骨架及水体共同承担达到平衡，随着地下水开采的增加，孔隙水压力不断减小，而上覆荷载总应力没有改变，含水层中有效应力必然会增加，即原先由孔隙水体承担的一部分荷载转而由土体骨架承担，引起土体骨架所受附加应力增大导致颗粒间孔隙缩小，含水层在宏观上表现为压缩土颗粒压缩忽略不计。
当抽取承压含水层地下水引起水位下降时，含水层的相邻弱透水层中孔隙水压力也随之减小，弱透水层也因有效应力增大而压缩，所以地面沉降总量包括含水层压缩量与弱透水层压缩量之和，。
下面对含水层组开采地下水后的应力变化进行分析。
含水层应力变化的基本规律假定含水层因开采地下水孔隙水压力下降了△H，根据有效应力原理，含水层有效应力就增加了△σ研究区域的土层概化在进行地面沉降计算之前，需要对地下各土层运用水文地质中有关含水层分类的概念进行简化。
含水层一般是指位于地下水面之下的透水层，且经常为地下水所饱和的土层。
土层按其透水性的强弱和受压情况可分为潜水含水层、弱透水层、承压含水层三种。
潜水含水层：直接与包气带相接具有自由表面的含水层。
弱透水层：在自然条件下几乎不能透水或只能透过数量很少水的土层称为弱透水层。
在某些假定理想条件下也可称为隔水层，但这种情形在自然界中是不存在的，所以此类土层称为弱透水层较为合适。
浅谈裂隙岩体渗流与应力耦合的问题
浅谈裂隙岩体渗流与应力耦合的问题许小东卢威张恒达摘要：针对工程岩体在渗流与应力相互作用下动态平衡体系中的变形及稳定，提出了裂隙岩体渗流与应力耦合的研究课题问题，结合岩体渗流的特性，分析了裂隙岩体应力与应变对渗透系数的影响情况，然后对裂隙岩体渗流插和应力场藕合作用及反演分析的思想和方法进行了论述，最后对目前裂隙岩体渗流场与应力场耦合的研究进展和存在的问题进行了介绍。
关键字：裂隙岩体, 渗流，耦合，反演分析Abstract: Engineering rock mass interaction in the seepage and stress the dynamic balance system，the deformation and stability of the fractured rock mass proposed coupling of seepage and stress research issues, combined with the characteristics of rock seepage analysis of the fractured rock mass stress and strain on the permeability coefficient of the situation, and then fractured rock coupled seepage and stress field of the role of insertion and inversion analysis of ideas and methods are discussed and finally the current fractured rock mass seepage field and stress field of research progress and there is The problem is introduced。
渗流场_应力场耦合作用下基坑三维数值分析
第5卷 第3期 地下空间与工程学报Vol.5 2009年6月 Chinese Journal of Undergr ound Space and Engineering Jun.2009 渗流场-应力场耦合作用下基坑三维数值分析3姚燕雅1,2;陈国兴1(1南京工业大学岩土工程研究所,南京210009;2.无锡城市职业技术学院,江苏无锡 214063)摘 要:通过某基坑工程实例,采用ABAQUS软件对基坑降水开挖过程进行了三维数值分析,得到了基坑的渗流场分布以及基坑围护墙的水平位移、坑后土体和道路地面的地表沉降的分布规律,并将数值计算结果与实测值进行了比较,两者规律一致,但不考虑渗流作用的结果明显是偏于不安全的。
研究表明,ABAQUS软件用于渗流场-应力场耦合作用下基坑工程的数值模拟是可行的,能反映较真实的基坑渗流与变形情况,能够为工程设计与施工提供正确参考。
关键词:深基坑;耦合作用;渗流场;沉降中图分类号:T U432 文献标识码:A 文章编号:1673-0836(2009)03-0499-06Three2D i m en si ona l Nu m er i ca l Ana lysis of D eep Founda ti on P itCon si der i n g the Effect of Seepage2stress F i eldsY AO Yan2ya1,2,CHE N Guo2xing1(1.Institute of Geotechnical Engineering,N anjing U niversity of Technology,J iangsu N anjing210009,China;2.W uxi U rban V ocational Technology Institute,D epart m ent of A rchitectural Engineering,W uxi214063,China)Abstract:Based on ABAQUS s oft w are,the3-D nu merical analysis is app lied t o one p ractical deep-founda2 ti on p it.The distributi on la ws of the seepage field,the wall’s horizontal dis p lace ment,the s oil’s settle ment and the r oad’s settle ment are all obtained fr om the analysis.According t o the comparative analysis bet w een the calculated value and the measured value,it can be known that the calculated value considering seepage is well in accordance with the measured value,though the calculated value without considering seepage is less than the measured value, thisresult is unsafe.The analysis shows that ABAQUS s oft w are can be used t o si m ulate the deep foundati on p it under the coup ling effect of seepage field and stress field,and it is reas onable,feasible,and can p r ovide s ome correct refer2 ences t o engineering design and constructi on.Keywords:deep2f oundati on p it;coup ling effect;seepage field;settle ment1 引言随着城市建设的发展,各类用途的地下空间已在世界各个大中城市大量涌现。
基于GeoStudio的边坡渗流场与应力场耦合分析_程彬
文章编号:1009-6825(2010)03-0146-02基于GeoStudio 的边坡渗流场与应力场耦合分析收稿日期:2009-09-14作者简介:程 彬(1981-),女,助理工程师,煤炭科学研究总院西安研究院,陕西西安 710054卢 靖(1979-),男,工程师,铁一院集团甘肃铁道综合工程勘察院,甘肃兰州 730000程彬 卢靖摘 要:以陕西府谷县清水川电厂Ó号边坡为研究对象,选用边坡一典型剖面,采用GeoStudio 软件中的渗流分析模块Seep/W 、应力应变分析模块Sigma/W 和边坡稳定性分析模块Slope/W 进行边坡稳定性的流固耦合,即应力场与渗流场的耦合分析及安全系数的计算,通过算例对比了耦合与非耦合情况下应力场、边坡稳定性的差异,说明耦合分析更符合实际。
关键词:渗流场,应力场,耦合分析,GeoStudio 中图分类号:T U 457文献标识码:A工程岩土体存在于应力场、渗流场等多场并存的复杂地质环境中,各场之间相互影响、相互作用,构成一种耦合关系。
在大批工程建设中,由于岩土体应力场与渗流场发生改变,经常会引起一系列问题。
本文的工作就是利用GeoStudio 软件中的Slope/W 具有可以引入Sigma/W 和Seep/W 计算结果的功能,以及Sigma/W 可以引入Seep/W 计算结果的功能,分别计算不考虑耦合情况下和考虑耦合的情况下边坡的安全系数,以此来进行边坡稳定性的评价。
1 GeoStudio 软件耦合计算原理[2]1.1 概述GeoStudio 系统软件是由全球著名的加拿大岩土软件开发商G eo -Slope 公司在20世纪70年代开发的面向岩土、采矿、交通、水利、地质、环境工程等领域的一套仿真分析软件,它包含Slope/W ,Sig ma/W,Seep/W 以及Q uake/W 等一系列的分析模块。
1.2 耦合分析计算原理Sig ma/W 的全局变量为应变增量,Seep/W 中的全局变量为孔隙水压力增量。
10渗流模块-渗流应力耦合分析
Tunnel
在桌面背景中选择 SoilWorks实行图标 1. 2. 3. 4. 5. 选择 Project Manager> Seepage 定义初始参数上，单位系用 kN, m, sec 设定后，点击确认 选择 主菜单> 使用 > CAD文件 点击Section.dwg 文件后，点击打开 按钮 Command窗上，输入 Z(zoom) > e 键，确认模型数据 按钮
节点水头: 输入节点水头( 总水头、压力水头) 节点流量/面流量 : 节点，表面的流出与流入, 以渗流条件为基础 调查再边界: 难以知道正确的侵润线的状况
(1) 节点水头 节点水头边界条件是指选择节点，以总水头和压力水头输入边界条件。通过总水头输入(与模型的 位置无关的输入)，从基点开始计算的水头值，压力水头输入的情况下，在地下水位面适当的节点 上输入0，就能够模拟地下水位条件。 从模型的内部模拟渗流的侵润面 (phreatic surface)的约束水流(confined flow)和侵润面的自由水 流 (unconfined flow)。每个情况适用的节点水头方式都不相同，需要特别决定侵润面的自由水流 的情况下，要正确考虑排水及边界再调查条件。
挡土墙 堤坝 基坑开挖
固结土层
[ 地基-地下水位的相互作用的例子 ]
隧道
虽然原则上应力 -渗流的问题应该用耦合分析来计算，但耦合分析时，因分析方法非常复杂，一般 情况下，使用有效应力和水压分开进行分析后组合的方法。空隙水压是完全排水问题，在空隙水压 的增量和应力的增量统一的完全非排水状态下，主要使用这个分析方法。但是，与移动地段一起随 着时间应力和空隙水压变化的情况下，必须进行位移和空隙水压耦合分析(Coupled Analysis)，压
渗流—应力耦合作用下岩石损伤破裂演化模型与煤层底板突水机理研究
结论
本次演示对带压开采下底板渗流与应力耦合破坏突水机理进行了深入研究， 建立了底板渗流与应力耦合数学模型，并利用数值模拟和物理模型试验验证了其 可靠性。研究结果表明，底板岩层在渗流作用下的变形、破裂和失稳是带压开采 下底板渗流与应力耦合破坏突水的主要原因。为保障矿山安全生产，建议在采矿 过程中采取以下措施：
1、研究对象多为单一的渗流模型或应力模型，缺乏对底板渗流与应力耦合 作用的深入研究；
2、研究方法多以数值模拟为主，缺乏足够的物理模型试验验证；
3、对底板渗流与应力耦合破坏突水机理的认识尚不充分，缺乏统一的科学 描述。
研究方法
本次演示采用理论分析、数值模拟与物理模型试验相结合的方法，对带压开 采下底板渗流与应力耦合破坏突水机理进行研究。首先，基于渗流理论和应力分 析，建立底板渗流与应力耦合数学模型；其次，利用数值模拟软件对模型进行模 拟分析，探讨底板渗流与应力的相互作用机制；最后，通过物理模型试验验证数 值模拟结果的可靠性。
文献综述
针对岩石损伤破裂演化模型的研究，已有学者开展了大量工作。其中，基于 应力和渗流的多物理场耦合模型在岩石损伤破裂演化分析中具有重要意义。然而， 在研究煤层底板突水机理时，该模型的适用性和准确性有待进一步验证。此外， 岩石损伤破裂演化模型在复杂应力条件下的变形破裂行为研究仍然不足，因此， 本次演示将重点探讨这一方面的内容。
在岩石损伤破裂演化模型方面，本次演示采用基于应力场和渗流场的耦合模 型进行模拟分析。通过将实验结果与模型模拟进行对比，发现该模型能够较好地 描述岩石和煤层底板在渗流-应力耦合作用下的损伤破裂演化过程。此外，本次 演示还分析了不同应力条件下岩石和底板的破裂模式和临界条件，发现应力分布、 材料强度和孔隙率等因素对损伤破裂演化具有重要影响。
基于ABAQUS基坑降水引起地面沉降的渗流——应力耦合分析
图 3 中所示为划分网格后的基坑两侧的地下连续 墙模型示意图。
2. 3 相关计算参数的选取 在本分析中选用修正剑桥模型，具体的土体和地
下连续墙所选用的参数根据 《国家勘察规范》 选取， 如表 1、表 2 所示。
图 3 基坑两侧地下连续墙有限元模型图
2. 2 边界条件的设置 在本分析中所设置的边界条件有位移边界条件、
孔压边界条件设置为在模型的上表面设置孔隙压 力为 0。如图 5。
图 5 孔压边界条件
界面接触条件设置为在地下连续墙的左右两侧设 置与土体为摩擦接触。地下连续墙底面与土体绑定约 束。如图 6。
图 6 界面接触条件
3 有限元模拟结果分析 3. 1 降水对孔隙水的影响
（ 1） 孔隙水压力 在本分析中，对基坑模型的降水共分五个分析步 进行，每个分析步时长为 216 000 s （ 2. 5 d） ，其中 孔隙水压力的模拟结果可以看出，降水对基坑土体的 孔隙水压力的影响随着降水深度的增大而增大。在基 坑底部的土体中，其孔隙水压力逐渐降低，在降水之 前的孔隙水压力为 3e5 Pa，在降水结束之后其孔隙水 压力降到了 1. 85e5 Pa 左右。究其原因，是源于上部 土体中的水分被抽出导致上部土体的荷载释放，底部 的孔隙水压力得到释放，所以在其数值上有所下降。 模拟的结果符合实际规律，且降水后的孔隙水压力的 分布较规律。 （ 2） 孔隙渗流速度 从基坑土体的孔隙渗流速度模拟结果可以看到， 土体孔隙渗流的速度和矢量分布图。从图中可以明显 的看出在第四分析步之后，降水对地下连续墙外的土 体的渗流产生了明显的影响，而在此之前的影响极 小。而最 大 的 渗 流 速 度 也 从 4. 76e － 4 m / s 增 大 到 9. 7e － 4 m / s。在降水井点与地下连续墙体之间的土 体所收到的影响最大，该部分土体的渗流速度远远大 于其他部分的土体。综合来看，模拟结果所反映出的
城市地面塌陷中渗流致灾机理及其控制分析
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｔ ｏ ｃ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｏ ｆ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｃ ｏ ｌ ｌ ａ ｐ ｓ ｅ ｓ ｉ ｎ ｃ ｉ ｔ ｉ ｅ ｓ ｉ ｎ ｒ ｅ ｃ ｅ ｎ ｔ ｙ ｅ ａ ｒ ｓ ，ｔ ｈ ｅ
作者 简介 ： 王艳华 （ １ ９ ８ ２ 一） ， 女， 湖北利川人 ， 安徽 新华学院土木与环境工程学 院讲 师．
第１ 期
王艳华 ， 等： 城市地面塌 陷中渗流致 灾机理及其控制分析
６ １
粒 在粗 颗粒 形 成 的孔 隙通 道 中移动 、 流 失 的现象 ． 流 土更 具有 普遍 性 ， 流 土时渗 流 的方 向是 向上 ， 一般 发生
在地表 ， 也可 能发 生在 两层 土 之 间 ； 不 管黏 性土 还是 粗 粒 土都 可 能发 生 流 土． 而 管涌 只 在 土 的颗 粒 级 配较 好 的 土层 、 粗 细两 层或 多层 土 中产 生 ， 它是 沿着 渗流 方 向发生 的 （ 不一 定 向上 ） ， 是粗 细颗 粒 间 的相对 运动 ， 在 粗 细两 层 间 的渗流 ， 可 能细粒 土 从粗 粒土 中带走 ， 也 可称 为接 触 冲刷 或 叫潜 蚀 ； 就一层 土 来讲 ， 黏性 土不 会 发 生管 涌现 象． 管涌 发生 后有 两 种结 果 ： 一种 是继 细 粒土 被 带走 后 ， 粗 粒 土 也被 渗 流 带 走 ， 出现空 洞 ， 最 后 导致 渐 进破 坏 ； 另一 种 是 细 粒 土 被 带 走 ， 粗 粒 土形 成 的 骨 架 尚能 支 持 ， 渗 漏 量 加 大 但 不 一 定 随 即发 生
企Ｊ ９ 匕学 院 学 赧 （ 自 然 科学 版 ）