第4章 饱和土及非饱和土的渗流-.pdfVIP

第 4 章 饱和土与非饱和土的渗流-应力耦合分析 地球表面很大一部分处于干旱或半干旱地带，因此，工程中遇到的土大多数处于非饱和 状态，湿陷性黄土、膨胀土、热带残积土和人工填土等都是典型的非饱和土。非饱和土是固 -液-汽三相复合介质，其工程性质十分复杂，是 20 世纪 90 年代以来国际学术界关注的热 点之一。在一系列的工程问题中，涉及到有效应力、变形、水运动、堤坝渗流变形、油气开 采、煤层内瓦斯渗流、地基的蒸发固结和降雨入渗的滑坡等问题，这些问题一般都必须考虑 水、气两相流体流动和固相变形之间的相互作用。因而，研究非饱和土的流-固耦合问题具 有重大理论和实际意义。 ABAQUS 能够求解多孔介质的饱和渗流，非饱和渗流及二者的混合问题（渗流自由面 的计算）。计算过程中可以考虑流体重力的作用，并能够求解流体的总孔隙压力或超孔隙压 力，渗透定律可采用达西定律或更广泛的非线性定律。在流体重力载荷不可忽略或较明显瞬 态毛细吸力较明显，即“湿化作用”不可忽略的问题中，需要求解总孔隙压力。 非饱和渗流计算中也可以考虑其它的两种效应，即“凝胶”膨胀与吸湿膨胀，但这两种效 应通常用来模拟聚合物物体（例如纸巾）吸收水分的过程，而不是模拟土工材料吸收水分的 过程，因此在本章中暂不讨论。 4.1 非饱和土的有效应力 由于ABAQUS 中的渗流场计算总是与应力计算耦合的，所以必须定义非饱和土有效应 力。在第二章中已介绍了基于 Biot 固结理论的饱和土的有效应力，但是，Biot 理论由于描 述的是在饱和线弹性（或粘弹性）多孔介质中的流动，应用于非饱和土则存在很大局限。因 为非饱和土中所涉及到的流体一般包括液体和气体，而且，土中固体骨架的变形也不一定是 弹性的，而是非线性的。 本章要统一考虑饱和土与非饱和土的渗流计算，所以要从非饱和土出发重新定义有效应 力，把多孔介质视为多相材料。设一个基本体积dV 由固体材料颗粒体积dV 与孔隙体积 g dV 构成，流体体积dV 呈饱和或非饱和状态充填于孔隙体积中。 v f 1 图 4.1.1 多孔介质各组成部分示意图 介质的孔隙率n 为孔隙体积与总体积之比： dV v n dV ABAQUS 通常使用孔隙比 e (dVv dVg ) ，而不是孔隙率。孔隙比与孔隙率之间的转换关系 为： n e 1 e , n , 1−n (4-1) 1−n 1+e 1+e 饱和度s 定义为流体体积与孔隙体积之比： dV s f (4-2) dV v s s 对于完全饱和介质 ＝1，而对于完全干燥介质 ＝0。