非饱和土中水-热-盐多场耦合作用的数值分析与试验研究

基于comsol的非饱和土渗流研究/comsol在岩土工程渗流的应用摘要：岩土工程的核心难点即解决地下水问题，一般岩土工程事故都是由于对地下水的影响重视不够而造成的，然而解决这一难点关键在于解决地下水渗流问题。

目前对于非饱和土渗流研究的理论仍相对落后，本文结合非饱和土渗流场基本方程以及由水土特征曲线得到的相关渗流参数（渗透系数，体积含水量），阐明了如何解决渗透模型要求渗流场方程的连续性与现场实测数据的非连续性之间的矛盾，并利用comsol Multiphysics 软件对某工程中非饱和土渗流问题进行了模拟，并验证了Fredlund和xing（1994）土水特征曲线方程的正确性。

这种解决非饱和土渗流问题的思想可供学者参考。

关键词：非饱和土；渗流场；渗流参数；连续性矛盾；Comsol Multiphysics Study on seepage of unsaturated soil seepage based on comsol Abstract:The core difficulty of geotechnical engineering is to solve groundwater problems, the general geotechnical engineering accidents are due to the impact of groundwater caused by insufficient attention, however, the key to solve this difficult problem is to deal with the groundwater flow. At present, for the study of unsaturated soil seepage theory is still relatively backward, this paper combines basic equation of unsaturated soil seepage with soil-water characteristics curve and obtains the relevant flow parameters (hydraulic conductivity, volumetric water content) from them, and illustrates how to solve the conflict between the seepage field penetration model requiring Equation of continuity and the measured data of non-continuity, and using the software comsol Multiphysics to simulate unsaturated soil seepage problems in one project and verified the right of Fredlund and xing (1994) soil-water characteristic curve equation. The idea of solving unsaturated soil seepage problems may be referred by similar projects.Key words: unsaturated soil; seepage field; seepage parameters; continuous conflict; Comsol Multiphysics1引言岩土工程设计与施工的难点在于解决地下水问题，一般岩土工程事故都是由于对地下水的影响重视不够而造成的，像2003年7月14日上海轨道交通４号线工程事故；2007年8月17日山东新汶煤矿透水事故；2008年11月15日杭州地铁工地塌陷事故以及2011年1月1日杭州余杭区-工地土方坍塌事故等等都是由于忽视地下水的影响而造成的。

基于结晶动力学的多孔介质水-热-盐-力耦合模型是一种涉及多种物理场的综合模型，可用于描述多孔介质中水分、盐分、热量和力学过程之间的相互作用和耦合关系。

该模型基于质量守恒、动量守恒、热量守恒和盐量守恒的基本方程，同时考虑了多孔介质的结构和物理特性，以及水分和盐分的结晶动力学过程，具体包括以下几个方面：
多相介质的结构和性质：考虑多孔介质的孔隙结构、孔径分布和孔隙率等特征，以及多相介质的渗透性、压缩性、温度和盐度等影响因素。

水分运移和结晶动力学：考虑水分在多孔介质中的流动、蒸发和结晶动力学过程，以及水分与温度、盐度、压力等因素的相互作用。

盐分运移和结晶动力学：考虑盐分在多孔介质中的扩散、迁移和结晶动力学过程，以及盐分与水分、温度、压力等因素的相互作用。

热量传递和热力学过程：考虑热量在多孔介质中的传递和分布，以及热力学过程对水分、盐分和力学特性的影响。

力学特性和力学过程：考虑多孔介质的力学特性和变形过程，以及力学过程对水分、盐分和热量传递的影响。

综上所述，基于结晶动力学的多孔介质水-热-盐-力耦合模型可以综合考虑多种物理场的相互作用和耦合关系，从而提高对多孔介质中水分、盐分、热量和力学过程的理解和预测能力。

该模型的研究可以为土壤水盐运移、地下水资源管理和地质工程设计等领域提供理论和技术支持。

地下流动系统热-水动力-化学多场耦合数值模拟的方法【原创版】目录1.引言2.地下流动系统的概述3.热 - 水动力 - 化学多场耦合数值模拟的方法4.数值模拟的应用实例5.结论正文【引言】随着我国地下资源开发与环境保护的需求，研究地下流动系统热 - 水动力 - 化学多场耦合数值模拟的方法具有重要意义。

这种方法可以有效地帮助我们了解地下系统的演化过程，从而为资源开发和环境保护提供科学依据。

本文将对这一方法进行详细介绍，包括地下流动系统的概述、热 - 水动力 - 化学多场耦合数值模拟的方法、应用实例及结论。

【地下流动系统的概述】地下流动系统是指在地下发生的涉及热、水动力和化学反应等多种物理化学过程的系统。

这类系统通常涉及到复杂的岩石、土壤、水文地质条件，以及地下水、石油、天然气等资源的开发与利用。

因此，研究地下流动系统对于地下资源的合理开发和有效保护具有重要意义。

【热 - 水动力 - 化学多场耦合数值模拟的方法】热 - 水动力 - 化学多场耦合数值模拟的方法主要包括以下几个步骤：1.建立数学模型：根据地下流动系统的实际情况，建立描述热、水动力和化学反应过程的数学模型。

2.选择数值方法：根据模型的特点，选择合适的数值方法对数学模型进行离散化。

3.编写或选用数值模拟软件：利用计算机编程语言编写相应的数值模拟软件，或选择现有的商业或开源软件进行模拟。

4.设定边界条件和初始条件：根据实际问题，设定模型的边界条件和初始条件。

5.进行数值模拟：运用数值模拟软件，对模型进行求解，得到地下流动系统的演化过程。

【应用实例】地下流动系统的热 - 水动力 - 化学多场耦合数值模拟方法已经广泛应用于以下几个方面：1.地下水污染研究：通过模拟地下水污染过程，分析污染物在地下水中的传播和衰减特性，为地下水污染防治提供依据。

2.油气资源开发：通过模拟油气藏的运移、聚集和生产过程，为油气资源的有效开发提供科学依据。

3.地热资源开发：通过模拟地热系统的热传递和流动过程，为地热资源的合理开发和利用提供指导。

非饱和土水力全耦合模型与数值模拟方法研究无论是300m级高坝,还是高陡边坡、大型地下工程建设,均无一例外地涉及复杂赋存环境下岩土体渗流、变形与稳定控制问题。

岩土体渗流与变形的耦合作用以及多场多相耦合过程既是近30年来国际岩土力学领域的前沿研究热点,也是大型水利水电工程、深部岩体工程、核废料地质处置工程等建设中迫切需要解决的关键科学技术难题。

本文以非饱和土为主要研究对象,以土体细观结构及其演化为基础,紧密围绕非饱和土水力耦合机理的量化描述、耦合过程的精细模拟、耦合效应的工程控制这一核心科学问题,重点开展了非饱和土水力全耦合本构模型及数值模拟方法等内容的研究。

主要研究成果如下：(1)建立了考虑颗粒黏结效应的非饱和土弹塑性本构模型大量研究表明,非饱和状态下土体颗粒间的黏结效应对其变形具有显著影响。

采用单位接触面积上弯液面引起的黏结力,定义了黏结因子这一具有严格物理意义的独立变量,用以表征颗粒黏结效应对非饱和土力学特性的影响。

基于试验成果,建立了黏结因子与孔隙比的内在联系,推导了加载一湿陷屈服方程,并在修正剑桥模型的框架下建立了三轴应力状态下非饱和土的弹塑性本构模型。

与经典的巴塞罗那模型(Barcelona Basic Model, BBM)相比,该模型仅采用单一屈服面(BBM有2个),模型参数较少(8个,较BBM少4个参数),且物理意义明确,均可通过常规试验确定。

试验验证结果表明,该模型不仅具备BBM模型所有的描述能力,还能够描述脱湿引起的弹塑性变形等复杂力学特性。

(2)建立了考虑变形效应的土水特性与渗透特性演化模型在水力耦合过程中,土体变形及孔隙分布演化对其土水特性具有显著影响。

尽管土体孔隙分布的演化模式较为复杂,但试验研究表明,土体在变形过程中,孔隙分布的基本形态未发生显著变化、统计分布特征基本不变。

以参考状态孔隙分布函数为基础,经平移和缩放给岀了变形条件下土体的孔隙分布函数,进而建立了考虑变形和滞回效应的土水特征曲线模型。

冻土中热水机械蒸汽的多场耦合研究摘要：本文根据各国学者对冻结土多场的研究成果，对冻结土的多场耦合理论和机理以及冻结过程中温度场、水分场和应力场的动态变化过程进行了分析和研究。

冻土多物理场耦合的研究是一个复杂、多物理、多学科的领域，本文主要从水热蒸汽机械（HTVM）场耦合的方面进行了综述。

本综述有助于促进对冷区土壤冻结过程和冻结过程中冻土耦合机理的研究，促进对土壤冻结过程中多场耦合动态过程的深层、多维理解。

1.介绍冻融沉降是寒冷地区冻土最常见的冻土破坏。

这主要是由于冻土的温度、湿度、应力和浓度场的变化，以及多物理场之间的相互作用（Mu，1987）。

冻土的各种霜冻问题本质上源于多孔介质中的多相耦合（包括固体、液体、气体和热）（Li，2001）。

季节性冻土的土壤稳定性主要受冻融循环中传热、水分迁移和相变化的相互作用和相互影响的控制。

例如，路基的温度、湿度和应力场都是动态变化的。

这些油田之间的耦合效应是造成许多冻害问题的直接原因（Lai，1999）。

因此，有必要系统地回顾冻土多物理场耦合背后的机制。

冻土的多物理场耦合是一个同时考虑多个物理场的复杂的多学科研究部门。

冻土多物理场耦合的研究进一步分为以下几个部分：热水（TH）耦合、热水机械（THM）耦合、热水蒸汽机械（THVM）耦合和热水盐力学（THSM）耦合。

此外，一些学者还致力于研究岩石的热-水-化学-机械（THCM）耦合（Su，2010），这是一个复杂而动态的过程。

近年来，有关冻结场的学术兴趣一般集中在宏观强度性质和热-水-力学耦合本构模型上。

考虑了晶体独特的张力行为和压力熔化，以及冰水相变的结晶动力学模型。

然而，由于缺乏特殊设备，目前进行的本构实验很少考虑微观变形的机理。

因此，迫切需要对微小量表进行本性调查。

2.冻土多物理场耦合技术的研究现状2.1冻土高温耦合技术的发展提出了浅层黄土的TH耦合模型，模型结果与实验结果一致。

通过该模型估算的水分和温度的动态变化，验证了参数选择的可行性和预测浅层冻土水热动力行为的准确性[1]。

非饱和土理论的分析研究摘要：介绍了目前岩土工程界提出的非饱和土抗剪强度公式。

同时还对Bishop、Fredlund和卢肇钧提出的抗剪强度公式中的参数测试方法进行分析，指出各种抗剪强度理论在概念上都是相同的，其区别仅在于确定由吸力产生的那部分有效应力时采用的参数和测试方法不同。

关键词:非饱和土；抗剪强度一、土力学的发展历程18世纪中期以前，人类的建筑工程实践主要是根据建筑者的经验进行的。

18世纪中叶至20世纪初期，工程建筑事业迅猛发展，许多学者相继总结前人和自己实践经验，发表了迄今仍然行之有效的、多方面的重要研究成果。

例如法国的C.-A.de 库仑发表了土压力滑动楔体理论(1773)和土的抗剪强度准则(1776) ；法国的H.P.G.达西在研究水在砂土中渗透的基础上提出了著名线性渗透定律(1856)；英国的W.J.M.兰金分析半无限空间土体在自重作用下达到极限平衡状态时的应力条件，提出了另一著名的土压力理论，与库仑理论一起构成了古典土压力理论；法国的J.V.博西内斯克(1885)提出的半无限弹性体中应力分布的计算公式，成为地基土体中应力分布的重要计算方法；德国的O.莫尔(1900)提出了至今仍广泛应用的土的强度理论；19世纪末至20世纪初期瑞典的A.M.阿特贝里提出了黏性土的塑性界限和按塑性指数的分类，至今仍在实践中广泛应用。

1925年奥地利的K.太沙基出版了世界上第一部《土力学》，是土力学作为一个完整、独立学科已经形成的重要标志，在此专著中，他提出了著名的有效压力理论。

此后，在土的基本性质和动力特性、固结理论和强度理论的研究，流变理论的应用，土体稳定性分析方法以及试验技术和设备等方面都有很大的发展，使土力学得到进一步的完善和提高。

20世纪中叶非饱和土力学研究的复苏是土力学发展中又一具有长远影响的事件。

岩土工程中遇到的土大多数处于非饱和状态，非饱和土的工程性质已成为20世纪90年代以来国际土力学界研究的热点问题之一。

干湿循环下非饱和土边坡响应的数值模拟分析边坡是工程中常见的地质形式,而工程中遇到的土大部分处于非饱和状态,这些边坡经历长期性的干燥蒸发和降雨入渗的影响,经常发生滑坡等自然灾害,给人们的生命和财产造成巨大损失。

为了掌握这种季节性的天气变化对非饱和土边坡的影响规律,降低发生滑坡等自然灾害的可能性,尽量降低人们的生命和财产损失,所以本文对非饱和土边坡的干湿循环效应作了深入分析和研究。

首先利用有限元软件ABAQUS,选用Mohr-Coulomb本构模型对剑桥大学离心机试验进行了干湿循环的数值模拟,将数值模拟出来的孔压变化的幅度以及边坡点在干湿循环中的变形轨迹与离心机试验模型进行对比,发现结果和趋势非常相似,说明使用ABAQUS能够实现对非饱和土边坡的干湿循环的模拟。

在对比的同时,也对数值模拟的结果进行详细的分析,对边坡的位移变形、孔压变化、应力变化以及塑性变形等进行了分析,揭示了边坡发生破坏的机理,即是在干湿循环作用下首先在边坡坡脚处产生塑性变形,随着干湿循环次数的增加,塑性变形区逐渐向坡里发展,最后塑性变形区贯通时边坡就发生破坏。

将强度折减法应用于干湿循环中,求出了边坡在经历每次干湿循环后的边坡安全系数,发现随着干湿循环次数的增加,从整个的干湿循环或是单个的干燥和降雨过程来看,其边坡的安全系数都是降低的。

其次将边坡的高度和角度进行改变,得到边坡的位移变形、塑性变形、孔压变化等的变化规律,并对边坡安全系数进行了对比分析,发现随着边坡高度和角度的增加,其边坡的安全系数是逐渐降低的。

接着将干湿循环的幅度进行了调整,讨论了干湿循环幅度对边坡孔压、变形以及安全系数产生的影响,发现在降雨入渗阶段,幅度越大边坡的安全系数越低,在干燥蒸发阶段则取决于此前的降雨过程和此次干燥过程的综合结果,边坡的安全系数有可能降低也有可能升高。

最后将材料的一些参数进行变化来研究对边坡变形、孔压等的变化,如土水特征曲线、渗透系数、粘聚力、摩擦角、剪胀角等,通过这些参数的变化进行对比分析,发现土水特征曲线的变化对非饱和土边坡干湿循环效应的影响非常明显,土水特征曲线的变化直接影响干湿循环引起的孔压幅度的变化进而影响边坡的变形等;发现渗透系数的变化也对边坡的孔压和变形影响较大,渗透系数越大,孔压变化幅度越小,变形越小;发现粘聚力、摩擦角的变化对边坡的变形等影响比较明显,特别是塑性变形;剪胀角的变化对边坡的位移变形影响较小,但能够使土体承受更大的塑性变形。

降雨诱发土质边坡失稳的试验与数值分析研究一、概述降雨是诱发坡地地质灾害与人工边坡失稳的重要原因之一，这类灾害往往会造成重大的人员伤亡与财产损失。

随着全球气候变化和城市化进程的加速，降雨诱发的边坡失稳问题日益突出，对社会的危害日益严重。

研究降雨条件下各类天然和人工边坡的稳定性分析和评价方法，具有重要的学术意义与实用价值。

《降雨诱发土质边坡失稳的试验与数值分析研究》一文，以降雨诱发型滑坡灾害的地质与降雨特性为研究对象，对非饱和土抗剪强度特性进行了深入研究，提出了利用饱和非饱和非稳定渗流有限元分析与强度折减有限元法相结合的流固准耦合方法来评价降雨条件下的边坡稳定性。

文章通过模型试验与数值分析，揭示了非饱和土抗剪强度随土的状态路径而改变的机理，为边坡稳定性分析提供了新的理论支撑。

文章还探讨了土水特征曲线的两个界限曲线在流固准耦合方法中的应用，预测了滑坡灾害发生的可能时间，为雨量预警基准的规划提供了依据。

同时，文章还通过模型试验数值验证，发现在高雨强条件下，流固准耦合数值分析方法能有效评价边坡的稳定性而在低雨强条件下，当边坡产生渗出面时，该方法可能会低估可能的逸出点位置，从而影响对滑坡破坏时间的预测。

这一发现对于滑坡减灾工作具有重要的指导意义。

总体而言，《降雨诱发土质边坡失稳的试验与数值分析研究》一文，不仅深化了我们对降雨诱发边坡失稳问题的理解，还为边坡稳定性分析和评价方法的发展提供了新的思路和方法。

这一研究对于减少坡地灾害对社会的危害，保障人民生命财产安全具有重要的现实意义。

1. 降雨对土质边坡稳定性的影响概述降雨是自然界中常见的气象现象，对于土质边坡而言，它却是引发边坡失稳的重要因素。

降雨对土质边坡稳定性的影响主要表现在以下几个方面。

降雨可以改变边坡土体的物理和化学特性。

雨水能够溶解坡体内的某些矿物成分，形成新的矿物成分，进而改变土体的孔隙率和固体颗粒的排列方式，这在一定程度上改变了土体的结构和力学特性，对边坡稳定性产生不利影响。

非饱和红土邓肯-张模型参数的试验研究刘星志;刘小文;张占磊;周龙【摘要】According to the derivation method of nonlinear constitutive model for unsaturated soil,the Duncan-Chang parameters(Es,Bst,Kw)of unsaturated laterite under the compaction degree of 0. 9 were deduced by GDS triaxial consolidated drained tests. At the same time,combined with the GDS triaxial instrument for wetting deforma-tion test of gradually increasing humidity under different stress levels,the soil tangent bulk modulus associated with the matrix suction( Hs )and the bulk modulus of water( Hw )in Duncan-Chang were obtained. Then,the related parameters of nonlinear constitutive model for unsaturated laterite were proposed,which provided a basis for the non-linear constitutive relation of Duncan-Chang model for unsaturated laterite.%根据Fredlund D等提出的非饱和土的非线性本构模型推导方法,通过GDS三轴固结排水试验推导出了压实度为0.9下非饱和红土的邓肯-张Es、Bst、Kw参数,同时结合GDS三轴仪进行不同应力水平下的逐渐增湿湿化变形试验,得到邓肯-张模型中与基质吸力相关的土切线体积模量Hs和水的体积模量Hw.由此提出了非饱和红土的非线性本构模型的相关参数,为扩展的非饱和红土邓肯-张模型的非线性本构关系的有限元编程提供了依据.【期刊名称】《南昌大学学报（工科版）》【年(卷),期】2016(038)004【总页数】7页(P347-353)【关键词】非饱和红土;邓肯-张模型;GDS三轴试验;参数【作者】刘星志;刘小文;张占磊;周龙【作者单位】南昌大学建筑工程学院,江西南昌330031;南昌大学建筑工程学院,江西南昌330031;南昌大学建筑工程学院,江西南昌330031;南昌大学建筑工程学院,江西南昌330031【正文语种】中文【中图分类】TU411红土在江西地区分布十分广泛，道路路基、房屋地基、河流堤坡等很多实际工程都位于红土地区，且这些红土地区的土大多处于非饱和状态，因此对江西非饱和红土的力学特性及本构关系研究非常有必要[1]。