土体渗流场与应力场耦合研究
土体流固耦合理论研究进展
土体流固耦合理论研究进展陆培毅;韩亚飞;王成华【摘要】传统的渗流计算和变形计算是分开进行,方法虽然简单,但不符合工程实际且精度较低.经过国内外的学者在渗流场和应力场耦合问题上的大量研究,得出了从不同角度开展的耦合理论.为了体现出每种理论的本质和不同理论之间的区别和联系,对流固耦合理论从计算域耦合,基本未知量耦合,参数耦合和本构关系耦合4个方面进行了分类、评价.得出结论计算域耦精度较低但计算简便,基本未知数耦合理论完善,参数耦合仅针对某一类土建立,缺乏普遍性,本构关系耦合需进一步在黏性土中研究.【期刊名称】《重庆交通大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)009【总页数】7页(P53-59)【关键词】岩土工程;流固耦合;计算域;本构关系;基本未知数【作者】陆培毅;韩亚飞;王成华【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津300350;天津大学建筑工程学院,天津300350;天津大学建筑工程学院,天津300350【正文语种】中文【中图分类】TU4330 引言土体流固耦合是研究土体渗流场和应力场之间的相互作用，涉及到土力学，流体力学和两学科的交叉。
太沙基最早提出有效应力原理并基于该原理提出了一维固结理论。
此后，比奥基于弹性理论，平衡条件，连续条件等提出了真三维固结理论[1]，以上两种理论是土力学中最具有代表性的流固耦合理论。
后来，诸多学者分别从耦合形式，有限元等方面对以上两种理论进行了改进和应用，形成了现在的流固耦合理论。
假设条件和耦合角度的不同，得出耦合理论的适用范围和精度也不尽相同。
因此有必要弄清各种耦合理论的前提条件、内在联系、区别和优缺点。
所以笔者对现有的耦合理论从计算域耦合、基本未知数耦合、参数耦合和本构关系耦合4个方面进行分类，目的在深入了解每种理论并总结优缺点，以便在理论指导实际工程时做到扬长避短。
1 计算域耦合1.1 概述计算域之间的耦合是指固体域和流体域之间的相互作用，按作用机理可以分为两种，一种是固体域和流体域部分或完全重叠在一起。
基于GeoStudio的石渣坝渗流场与应力场耦合分析
基于GeoStudio的石渣坝渗流场与应力场耦合分析作者：李晔艾丛芳金生丁伟业来源：《南水北调与水利科技》2015年第08期摘要：选取香水水利枢纽工程的黏土心墙石渣坝的横剖面作为研究对象，利用GeoStudio 的耦合分析功能对其进行非饱和渗流场-应力场的耦合分析及边坡抗滑安全系数的计算，得到相应的非饱和渗流场分布、水平和竖向位移分布、抗滑安全系数值。
通过与非耦合情况下的应力场及渗流场对比，表明边坡位移在深层区变化缓慢，在浅层坡面位移变化比较大。
与非耦合情况下的边坡抗滑安全系数值对比，表明上游坡脚稳定性不够，应采用放缓边坡以及铺石压坡等方法提高边坡稳定性。
进而说明耦合分析更具有实际意义。
关键词：石渣坝；渗流场；应力场；耦合分析；抗滑安全系数中图分类号：TV314文献标志码：A文章编号：1672-1683（2015）-002-0001-04石渣坝受到荷重作用，会改变石渣坝体内的渗流场分布[1]，这是由于荷重作用降低了坝体内相应的孔隙度，从而引起渗透系数的改变。
渗流场分布的改变会直接导致渗流压力及渗流体积力也随之变化[15]，这两个参数的变动进而会影响到石渣坝体的外荷载，最终导致石渣坝体的应力场分布发生变化。
可见，互相作用以及互相影响的渗流场与应力场间存在一种耦合关系[15]，一种使得应力场分布和渗流场分布都会发生变化的关系。
正是基于此原因，当前工程建设中愈发重视应力场与渗流场的耦合分析。
GeoStudio作为全球最知名的岩土工程分析软件之一，最常用的三个基本模块分别是SEEP/W、SIGMA/W、SLOPE/W，所有模块可以在同一环境下运行。
SIGMA/W与SEEP/W耦合分析时，首先要通过SEEP/W得到瞬时孔隙水压力，再将结果导入SIGMA/W中，从而得出在渗流场作用下不同时刻的应力应变。
本文基于GeoStudio软件的耦合分析功能[15]，即SIGMA/W模块与SEEP/W模块以及SLOPE/W模块的耦合功能，进行石渣坝渗流场与应力场耦合分析，同时分析出石渣坝边坡的抗滑移稳定性。
碾压混凝土坝渗流场与应力场耦合分析的数学模型
实 例可 以看 出 ， 合作 用使 坝 体渗 流场 发生 变化 ， 耦 并且 使 坝体应 力增 大 ， 坝踵 处 的应 力集 巾加剧 。 使
关 键 词 碾压 混 凝土 坝 ； （ ） 层 缝 面渗 流 ； 渗流 场 ； 力场 ； 合模 型 ； 应 耦 有限元
中 图 分 类 号 ： Ｖ ４ ． Ｔ ６２２
流 模型 来 模拟 碾 压混 凝 土 坝 层 （ ） 渗 流 与 坝 体 应 力 相 互 缝 面 影 响 的耦合 机 理 ， 论 碾压 混 凝 土坝 渗 流 场 与 应力 场 耦 合 分 讨 析 的数 学模 型 及 其有 限元数 值 解法 ， 用 工 程 实 例 检验 该 耦 并 合 模 型 的适 用 性 。
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２０ ０ ２年 第 ３期
Ｎ ３， Ｏ ２ ｏ ２Ｏ
黑
龙
江
水
利
科
技
Ｈ ｉ ｎ ｊ ｎ ｃ ｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｆ ｔｒ ｏ ｓｒａ ｃｙ ｌ ｉ ｅ Ｗａ Ｃ
文献 标 识码 ： Ａ
碾 压混 凝 土 筑坝 由于 其施 工 快 速 、 价 经 济 等 优 点 而正 造 在得 到 飞 速的 发展 ， 由于 大体 积 碾压 混凝 土 坝 都 是 分 薄层 但 浇筑 的 ， 以碾压 混 凝土 筑坝 主要存 在 碾 压 展 （ ） 所 缝 面结 合 问
题 。 实 践 证 明 ， 压 混 凝 土 层 （ ） 往 往 是 碾 压 混 凝 土 坝 中 碾 缝 面
表 ３ 不 同 生 育阶 段 的土壤 水 势 范 围 ｐａ ｈ
处 理 分 蘖 中期 分蘖 末 期 拔 节抽 穗期 乳 熟期
亏缺 不仅 不 会 减产 ， 反而 对产 量 产生 积 极影 响 。
基坑开挖渗流场与应力场耦合计算及其环境影响分析
摘
要
基 于达 西渗 流定律和 小变形 比奥 固结理 论 ， 虑深基 坑 开挖 过程 中的 降水 、 考 土与结 构的相 互作
用， 建立 了考虑 空 间效 应的二 维平 面模 型 ， 采用 Ｆ Ａ Ｌ Ｃ软件进 行 两种耦合 分析 ， 并将 分析 结 果进 行对 比， 得到 一 些有 益 的结论 。最后给 出 了深基坑 开挖 对周 围环 境影 响的估 计 ， 出对应 的环境 保护措 施 。 提
析领 域 ， 用修 正剑桥模 型 ， 利 将渗 流场水 力作用 与
１ 引 言
城 市化进 程使 高层建 筑和 市政公 用设施 的建 设 数量 和密度 增加 ， 工程建 设 中深基坑 的规模 、 形
应力 场耦 合 ， 并通 过有 限单元 法模 拟 ， 求得 到深 力 基坑 开挖 及降水 过 程 中 ， 开挖 范 围及 临 近 区域 地
ｍ ｄ ｌ ａ ｓ ｂ ｓｅ ｈｃ ｃ ｄｓ ｈ ａｉ ｆ ｃ ． ｙｔｅ Ｌ Ｃ Ｆ ｓ Ｌｇａｇ ｎ ｙｉ ｏ Ｃ ｎｉ ａ ， ｉ ｏ ｅ ｗ ｓｅｔ ｌｈｄｗ ｉ ｉ ｌ ｅ ｔｅ ｐｃ ｅ ｅｔ Ｂ Ａ （ ａｔ ａｒｎｉ Ａ ａ ｓ ｆ ｏｔ ｌ ｓ ｎ ｈ
ｐ ｐ ｒ ｃ ｌｕ ａｅ ｗｏ ｔｐ ｓｏ ｏ ｐ ｉｇ ｒｓ ｏ ｓ ｆｓｉ ａ ｄ ｗａｅ ，ｒｓ ｅ ｔｖ ｌ ａ ｅ ａｃ ｌｔｄ ｔ ｙ ｅ ｆｃ ｕ ｌ ｅ ｐ ｎ ｅ ｏ ｏｌ ｎ ｔｒ ｅ ｐ ｃｉｅｙ，ａ ｄ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｔ ｅｒ ｓ ｌｓｃ ｅｕｌ ｎ ｎ ｏ ａ ｅ ｈ ｅ ｕｔ ａ ｆ ｌ ｒ ｙ， Ｓ ｏ ｅ ｅ ｃａ ｏ ｃｕ ｉｎ ｒ ｃ ｉｖ ｄ．Ｆｎ ｌ ｔ ｅｐ ｅ ｉｔｏ ｆｔ ｅｉｆｕ ｎ ｅ ｏ ｕ ｒｕ ｄ ｎ ｎ ｉｏ ｍｅ ｔｉ Ｏ ｓ ｍｅ ｂ ｎ ｆ ｉｌｃ ｎ ｌ ｓｏ ｓｗｅ ｅａ ｈｅ ｅ ｉ ｉａｌ ｈ ｒ ｄｃｉｎ ｏ ｈ ｎ ｅ ｃ ｎ ｓ ｒｏ ｎ ｉｇ ｅ ｖｒ ｎ ｎ ｎ ｙ， ｌ ｄ ｅ ｕ ｄ ｔ ｎ ｅ ｃ ｖ ｔｏ ｓ ｉｅ ａ ｄ ｓ ｍｅ ｐ ｏｅ ｔｏ ａ ｕ ｅ ｒ ｕ ｏ ｗａｄ ｅ ｐ ｆ ｎ ａｉ ｘ ａ ａｉｎ Ｗａ ｇｖ ｎ， ｏ ｒｔｃｉｎ ｍｅ ｒ ｓｗｅｅ ｐ ｔｆｒ ｒ ． ｏ ｏ ｎ ｓ Ｋｅ ｙｗｏ ｄ ｄ ｅ ｏ ｎ ｔｏ ｉ，ｃ ｕ ｌｎ ｆｓ ｌ ｌｑ ｉ ｒｓ ｅ ｐ ｆ ｕ ｄａｉｎ ｐ ｔ ｏ ｐ ｉ ｇ ｏ ｏ ｉ ｉ ｕ ｄ，ｉ ｔｒ ｃｉ ｎ，ｉｆｕ ｎ ｅ ｏ ｕ ｒ ｕ ｄ ｎ ｄ— ｎｅ ａ ｔｏ ｎ ｌ ｅ ｃ ｆｓ ｒｏ ｎ ｉ ｇ
渗流应力场耦合作用下苏州工业园区某地下车库基坑的变形分析
渗流应力场耦合作用下苏州工业园区某地下车库基坑的变形分析摘要：地下水渗流对基坑变形的影响成为当前研究的热点，以苏州工业园区某地下车库基坑为例，采用ABAQUS模拟基坑开挖及支护过程，分析基坑开挖过程中的变形及渗流场规律。
结果表明：在开挖间歇期的坑外地表沉降量均比同期开挖结束后的沉降量要小，而基底隆起量比同期开挖结束后的隆起量要大。
每步开挖间歇结束时，围护墙的水平位移有所减小。
随着开挖的进行，围护墙周围的水头等势线越来越密，地面沉降形状为下凹的盆地形状。
关键词：基坑；渗流-应力耦合分析;有限元模拟1引言基坑开挖时，坑内外通常存在着水头差，地下水将在坑内外水头差作用下发生渗流。
基坑开挖过程是地下水渗流与岩土变形动态耦合的过程。
利用渗流-应力耦合理论研究开挖过程中地下水的渗流形态和孔隙水压力场的分布，分析地下水渗流对基坑稳定性的影响具有重要意义。
近几年来，许多研究者在分析渗流稳定问题时，引入了渗流场与应力场的关系，即渗流-应力耦合关系，并在岩土工程的各个领域取得了一定的成果和进展，渗流-应力耦合问题已成了研究的热点问题。
谢兼量[1]进行了渗流应力耦合条件下的海堤边坡稳定性研究；贾善坡等[2]进行了泥岩隧道施工过程中，渗流场与应力场完全耦合的损伤模型研究；张巍等[3]对大型地下洞室群围岩进行了应力-损伤-渗流的耦合分析；张媛媛[4]，苗丽等[5]，周建国等[6]在土坝的渗流场与应力场的耦合应用方面的研究获得了一些进展；王强等[7]，杨永恒[8]，郭娟[9]，周舒威等[10]基于渗流-应力耦合对尾矿坝的稳定性进行了研究；李筱艳[11]、纪佑军等[12]采用渗流-应力耦合分析，求解基坑的渗流场以及位移场。
本文结合苏州工业园区星海街站南北两侧公共地块地下车库项目，利用ABAQUS有限元软件进行了基坑工程在渗流－应力耦合作用下的变形分析，可为基坑工程的设计和施工提供参考。
2工程概况和地质条件星海街站南北两侧公共地块地下车库场地，位于苏州工业园区星海街及其以西、苏华路南北两侧的公共地块内。
大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析研究综述
理 分 析法 、 混合 分析法 及 系统 辨识 法 ， 并分 别形 成岩
１ 渗 流与 应 力 相 互作 用 美 系研 究 综述
以渗流作用力来表示水荷载 ， 是计算大坝水荷载 的精确方法， 特别是在大坝及 坝基、 坝肩中形成稳定 渗流场的情况下， 因此， 对大坝坝体来说 ， 坝体所受的 水荷载是 坝体渗 流场水 头分 布 的 函数 ，， １Ｊ即坝体 渗 ２
浆裂隙进行了实验 ． 张玉卓等ｌ ｌ对裂隙岩体渗流与 ０
以下三 种方法 第一 ， 接 通过 试验 总 结 出渗 透特 性 直 与应 力 的经验 公 式 ； 第二 ， 根据裂 隙面 的法 向、 向变 切 形公 式 间接地 导 出渗 透 特性 与应 力 的关 系 ； 三 ． 第 提 出某 理论概 念模 型来 解释渗流与应力 的耦台规 律 ．
体压缩变形又使其渗透系数大大降低 ， 起阻水作用 ， 从而孕育了滑动体上很高 的静水扬压力 ． 破坏了局 部岩体 的稳 定 ， 逐渐 引 起 大 坝 的溃 决 ． 并 由此 可见 ． 在大坝及其周围地质体 中， 渗流通过施加渗流作用 力而影 响应 力场 或 变形 场 ， 变形 和应 力 又 反 过来 而 通过改变介质渗透参数来影响渗流场 ， 即渗流场 此 与应力场的耦合作 用． 渗流场与应力场耦合分析是 对此耦合作用进行定量研究 的必由之路 ， 本文对大
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第 ２ 卷第 ２ ２ 期
水 利 水 电 科 技 进 展
２０ 年 ４月 ０２
大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析研究综述
柴 军瑞
（ 四川大学水利 水电工程学院 ， 四川 成都 ６０ ６） １０５
摘要 ： 论述了大坝及其周 围地质体 中 渗流场与应力场耦合分析研 究的意义， 对不同类型坝体和不同 结构岩（ 体渗流与应力的相互作用关系进行 了系统 的分类与总结， 土） 介绍 了渗流场与应力场耦合 分析及其在大坝工程 中应用的研究进展 ， 并对大埂及其周 围地质体渗流场与应力场耦合分析研究
渗流场与应力场耦合作用下截渗墙位移应力分析
水库水位高程为 ２． ｍ， ９ 初始地下水位 １． 位 ９ ６ ０ｍ。 ３
式 中 ｎ为土体初始 的孔 隙率 ；。 。 ， 为土体单元 的体
积 应变 ； ｋ分别 为与孔 隙率 ｎ ， ｋ， 。ｎ相对 应 的渗
在 计算 时 ．根 据应 力场和 位 移场 的计 算结 果， 按上 式计 算 出土体 新 的渗 透系数 ， 重新 计算 渗流 场。
（） ３ 模型求解。将渗流场数值模型、 应力场数
考虑两场耦合对渗流影响时的计算结果由于土体发生变形孔隙体积变小渗透性降低自由面的位置有稍微的上升坝体坝基防渗墙下游等势线加密水力坡降有较明显增加表明相应区域渗流流速加大其中最大水力坡降出现部位仍然位于截渗墙的底部其数值为536
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６
［ 文章编号 ］０２ ０２ （０７ ０一ｏ０一ｏ １ － ６４ ２０ ）９ ０６ ３ ０
Ｊ口 Ｉ ） 。 【 Ｎｄ （ ］ Ａ
②应 力场基本方程 。
［】６ ＝ ｑ ＋｛ｓ Ｋ ｛） ｛ Ｆ） （） ３
的多少和 大小 的关系很大 。 而在伴随位移场 变化 的同时 。 土介质的孔隙率也将发生变化进而 引 岩 起介质渗透性能 的改变 。 这样岩土介 质的渗 流场 也会 受到影 响。所 以 ， 在土坝的实际运行 中， 渗流 力的存在改变 了原有的应 力场 。 而应 力场 的变化
截渗墙 ； 渗流 场 ； 力场 ； 应 位移
［ 关键词］三峡船闸； 高边坡； 地下排水 ［ 中图分类号］ Ｖ ２． ２ Ｔ ２ ３ ＋ ４ ［ 文献标识码］ Ａ
渗流场和应力场是岩土工程力学环境 中的最 重要 组成部 分之 一 ， 二者 之间是相 互联系 、 互 相 作 用的。目前 ， 在对土石坝的研究工作 中， 渗流分
土石坝的流固耦合渗流研究综述
土石坝的流固耦合渗流研究综述流固耦合仍是目前很多领域研究的热点和难点，文章根据前人的研究，对土石坝流固耦合渗流的原理、基本方程、分析方法及研究进展进行总结，并对流固耦合渗流问题的未来发展前景作了展望。
标签：渗流；流固耦合；耦合分析；有限元；数学模型引言土石坝是由土料、石料或混合料经抛填碾压填筑而成的挡水坝，其自身有显著的内部孔隙，从渗流特性来说，属于多孔介质。
大坝在挡水过程中，上下游形成水头差，在水头差的作用下，坝体会形成稳定的或不稳定的渗流场。
由此可知，研究土石坝首先要考虑渗流对其的影响。
目前，土石坝渗流的计算研究方法日趋成熟。
从理论上来讲，求解土石坝渗流的基本方程、渗流场水头分布以及渗流量和渗流水力坡降一般要在已知初始条件和边界条件下才能求解[1]。
常用的渗流计算方法有流体力学解法、水力学解法、图解法等近似计算方法。
应用较为成熟的是水力学解法，其基本要点是达西定律和杜布依假定。
近代计算机的发展和应用，使得数值计算方法（限差分法、有限单元法、边界元法等）在渗流分析计算中得到广泛的应用和完善，同时，有了计算机为依托，土石坝渗流可通过软件编写程序在计算机上模拟出来。
土石坝渗流的分析中，人们大多是将渗流场与应力场分开进行的。
近些年来，学者们通过研究及对工程实例的分析，得出坝体中的渗流和应力之间是相互耦合的，渗流场或是应力场单方面的考虑都不能切实客观的反映实际渗流和应力的状态。
李宗坤[2]、苗丽[3]（2009，2011）等利用有限元分析软件ABAQUS对土石坝进行流固耦合分析，其结果表明了坝体中的流固耦合作用不容忽视，考虑渗流与应力耦合作用将对土石坝的稳定性有着至关重要的影响。
1 概述1.1 土石坝渗流流固耦合原理土石坝渗流场和应力场之间是相互作用及相互影响的。
一方面，渗流体积力和渗透压力随着渗流场的改变而改变，同时使作用在坝体的外荷载发生变化，从而改变了坝体应力场的分布；另一方面，体积应变随着应力场的改变而改变，同时使坝体各部位的孔隙率发生变化，渗透系数也随之变化，从而改变坝体渗流场的分布。
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土体渗流场与应力场耦合研究
利用有限元语言及其编译器FELAC编制了饱和-非饱和渗流有限元程序，对一土坝渗流算例进行了计算，分析了坝前水位发生急剧上升时土坝内部压力水头和自由面推进过程的变化情况，同时利用现有山野软件seep/w对结果进行了验证，表明程序编制合理。
以达西定律、质量守恒定律等为基础，推导出了考虑岩土戒指孔隙比、饱和度以及密度变化的非稳定渗流场的微分方程和有限元方程;以质量守恒定律为基础，推导出了考虑饱和度变化的土骨架应力场的文芬方程和有限元方程。
探讨了渗流场和应力场的相互作用耦合机理，给出了考虑应力场变化影响的渗透系数和饱和度的计算方法。
在建立应力场和渗流场控制方程的有限元计算格式后，像是应用FELAC变重了有限元程序，结合一平面问题算例对改程序进行了应用。
史文兵，西北农林科技大学硕士学位论文，2006.6。
来源：元计算官网。