饱和-非饱和介质水-应力耦合弹塑性二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程和弹塑性矩阵入手，使用Galerkin方法，将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散，初步开发出了一个用于分析饱和-非饱和孔隙介质中水-应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序。通过引入一组特定的与非饱和状态有关的计算公式，对一个假定的非饱和土体中水-应力耦合问题进行了数值计算，考察了不同时间土体中的位移、孔隙水压力、有效主应力、流速和塑性区的分布，定性验证了该程序的正确性。     

热–水–应力耦合模型及FEBEX原位试验二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,提出了一个饱和–非饱和孔隙介质中且可考虑膨胀应力的热–水–应力耦合模型,并编制了相应的二维有限元程序。以高放射性核废料地质处置的FEBEX原位试验为模拟对象进行了数值分析,比较了实测值和计算值,从而验证了程序的正确性并从分析结果中得到了一些有益的认识。     

不连续面对饱和–非饱和介质热–水–应力耦合影响的二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程入手，利用Galerkin方法，对于岩体和不连续面分别采用等参数单元和具有相同厚度的四节点节理单元，将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散，建立了用于分析存在不连续面的饱和–非饱和介质中的热–水–应力耦合弹塑性问题的有限元模型，并开发了相应的计算程序。通过假定的有、无节理的核废料地下处置算例，表现了由于存在渗透系数很大的不连续面，推迟了缓冲材料达到饱和的时间，并对岩体中的位移场、应力场和渗流场产生很大的影响。     

考虑水–应力耦合作用的地下洞室的锚杆支护效果

从建立应力平衡方程、水连续性方程入手，使用Galerkin方法，将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散，开发出了一个用于分析饱和岩土介质中水–应力耦合弹性问题的二维有限元程序。通过处于地下水位以下的洞室施工时锚杆支护效果问题的模拟计算表明：在有地下水赋存的条件下，锚杆的作用仍主要是约束围岩位移，但比无水时有所减弱，其对岩体中渗流的抑制效果不大，而渗透系数的取值方式将明显地影响孔隙水压力的分布。     

气液二相非饱和岩体热–水–应力耦合模型及二维有限元分析

针对高放射性核废料地质处置中水及水蒸汽二相共存的非饱和孔隙岩体,根据相关的理论,推导了应力平衡方程、流体连续性方程及能量守恒方程,使用Galerkin方法将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,初步开发出了相应的分析热–水–应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序。通过一个核废料处置概念库的计算认识到:高放废物地质处置后的几十年内,缓冲层中的温度及液相饱和度均上升,同时该区域内要出现明显的应力、孔隙水压力、温度、液相饱和度和气相饱和度的集中现象。     

非饱和黏性土水–力耦合弹塑性组合双面模型

非饱和黏性土在外荷载作用下呈现出复杂的水–力耦合特性。为描述水–力耦合对非饱和土应力–应变特性的影响，基于弹塑性理论，采用提出的循环塑性硬化法则，考虑(p’-q-s)空间内的任意应力路径变化，建立能够描述非饱和黏性土水–力耦合特性的弹塑性组合双面模型。该模型通过平均骨架应力和修正吸力反映应力和吸力的耦合作用，采用2组加载面和边界面组合，分别描述加载、干湿过程中水–力耦合引起的塑性屈服，实现非饱和黏性土水–力特性的全耦合分析和求解。与非饱和黏性土的常规静力三轴剪切试验结果的比较表明，所建模型能较好地模拟非饱和黏性土水–力耦合下的应力–应变特性。     

遍有节理岩体的双重孔隙–裂隙介质热–水–应力耦合模型及有限元分析

 建立一种饱和–非饱和遍有节理岩体的双重孔隙–裂隙介质热–水–应力耦合模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场和裂隙渗流场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响,并研制出相应的二维有限元程序。针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体为双重介质和单重介质2种工况进行数值分析,考察缓冲层和岩体中的温度、孔隙水压力、饱和度、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示,地下水由双重介质进入缓冲层中要快得多,2种工况的计算域中温度差别不大,但缓冲层及附近部位的主应力大小及分布有显著不同,单重介质的应力集中程度要大。     

非饱和土热–水–力全耦合本构模型及其验证

在地热资源开发与利用、核废料地质处理、垃圾填埋场等诸多岩土工程领域都需要考虑温度对非饱和土性质的影响。为了更为全面描述非饱和土在热–水–力耦合条件下的变形及持水特性,以平均土骨架应力、修正吸力和温度为应力变量,以比体积和饱和度为应变变量,建立了一个非饱和土热–水–力全耦合本构模型。模型通过屈服面方程及屈服面之间的耦合规律来反映热–水–力之间的相互影响,主要包含温度和饱和度对力学特性的影响,吸力和超固结比(应力历史)对热变形的影响,密度、温度和滞回效应对持水特性的影响,温度、应力和滞回效应对干化及湿化变形的影响。利用建立的模型,对不同应力路径下的试验进行预测。通过预测与试验结果的对比,验证了模型的适用性。     

非饱和岩石温度–渗流–应力耦合模型研究

以研究岩石孔隙比和含水量两个基本量为出发点，考虑温度对渗流黏滞系数和孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响，应用修正的Darcy定律、Fourier定律等，推导出非饱和岩石在温度–渗流–应力耦合作用下的平衡方程、流体物质守恒方程、气体质量守恒方程和能量方程。并将建立的多场耦合力学模型应用于一泥岩竖井的开挖、支护过程，重点分析围岩和衬砌内温度场、渗流场的变化规律，以及泥岩竖井在开挖、支护和运行过程中饱和度的变化规律。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及高寒地区的隧道工程设计与施工具有重要的指导意义。     

考虑水-应力耦合作用的地下洞室的锚杆支护效果

从建立应力平衡方程、水连续性方程入手,使用Galerkin方法,将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,开发出了一个用于分析饱和岩土介质中水–应力耦合弹性问题的二维有限元程序。通过处于地下水位以下的洞室施工时锚杆支护效果问题的模拟计算表明:在有地下水赋存的条件下,锚杆的作用仍主要是约束围岩位移,但比无水时有所减弱,其对岩体中渗流的抑制效果不大,而渗透系数的取值方式将明显地影响孔隙水压力的分布。     

不连续面对饱和-非饱和介质热-水-应力耦合影响的二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程入手，利用Galerkin方法，对于岩体和不连续面分别采用等参数单元和具有相同厚度的四节点节理单元，将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散，建立了用于分析存在不连续面的饱和-非饱和介质中的热-水-应力耦合弹塑性问题的有限元模型，并开发了相应的计算程序。通过假定的有、无节理的核废料地下处置算例，表现了由于存在渗透系数很大的不连续面，推迟了缓冲材料达到饱和的时间，并对岩体中的位移场、应力场和渗流场产生很大的影响。     

考虑微观孔隙结构的非饱和土水–力耦合本构模型

非饱和土在应力和水力路径的作用下均会产生微观孔隙结构的变化,同时,不同的孔隙类型和结构也会对非饱和土宏观水力、力学特性产生不同的影响,尤其是在膨胀土、压实黏土等双孔结构土中,这种影响尤为显著。以Wheeler建立的非饱和土水–力全耦合模型(GCM)为理论框架,引入有效饱和度来描述土体内部宏观和微观孔隙对水–力特性的不同影响,提出考虑孔隙结构影响的Bishop有效应力表达式,建立了各向等压状态下考虑微观结构的非饱和土水–力耦合本构模型,并实现了模型的预测功能。通过与非饱和土等向压缩试验结果的对比,初步验证了所建立模型的合理性和有效性。     

不同场热-水-应力耦合过程二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,提出了一个饱和-非饱和孔隙介质中的热-水-应力耦合模型和开发了相应的有限元程序.为验证本耦合模型及程序的可靠性和重点探讨不同场的热-水-应力耦合过程,以高放射性核废料地质处置的Prototype Repository Project(PRP)原位试验为模拟对象,对一个处置试验坑道近场进行了水单场、热-水耦合、水-应力耦合、热-应力耦合和热-水-应力耦合条件下的数值分析,考察了工程屏障及围岩中的温度、饱和度及应力的变化、分布情况,并得出了一定的认识.     

核废料地质处置近场热-水-应力-迁移耦合二维有限元分析

引入渗透迁移方程,将所开发的饱和-非饱和孔隙介质中热-水-应力耦合弹塑性模型及其二维有限元程序进行了扩展和改进,使之可以同步地对温度场、渗流场、应力场和放射性核素浓度场的变化进行解析。然后针对一个假想的核废料处置库算例,考察了在热-水-应力-迁移耦合作用条件下近场温度、孔隙水压力及放射性核素浓度的分布及变化。     

膨胀性非饱和土水力和力学性质的弹塑性模拟

Alonso等人提出的非饱和土弹塑性本构模型(BBM),不能用于预测膨胀性非饱和土的力学性质。现有的膨胀性非饱和土的弹塑性模型(BExM),其微观参数及微宏观变形的转换关系确定非常困难。从宏观角度,在已有的非膨胀性非饱和土水力特性和力学性质耦合的弹塑性本构模型的基础上,发展和建立了一个可预测非饱和膨胀土的水力特性和力学特性的弹塑性本构模型。模型引入不同形状的等孔隙比线与屈服线,并考虑了变形对土水特性的影响。对已公开发表的非饱和膨胀土的试验结果进行预测,包括常净应力的吸湿试验,吸力不变的等向压缩试验及三轴剪切试验。预测结果表明该模型能够定量的描述膨胀性非饱和土的水力和力学特性。     

A Coupled MPM-FDM Analysis Method for Multi-Phase Elasto-Plastic Soils

The Material Point Method (MPM), as proposed by Sulsky et al. (1994), has been developed to simulate large deformations and failure evolution involving different material phases in a single computational domain. A continuum body is divided into a finite number of subregions represented by Lagrangian material points, while the governing equations are formulated and solved with the Eulerian grid. Since this grid can be chosen arbitrarily, mesh tangling does not appear in the MPM. To design a simple but robust spatial discretization procedure, the MPM is coupled with the finite difference method (FDM) in the present study for simulating fully and partially saturated elasto-plastic soil responses based on the simplified three-phase method. Governing equations for the soil skeleton and the pore fluid are discretized by the MPM and FDM, respectively. Soil-water coupled analyses for fully saturated soils and seepage-deformation coupled analyses for unsaturated soils are performed, and the potential of the proposed method is demonstrated via numerical examples.     

非饱和土强度公式的比较研究

 非饱和土力学的基本理论已经确认了基质吸力的存在有利于非饱和土的强度提高,但是对于强度提高的机制到目前为止没有统一的结论,非饱和土强度理论中存在着单应力状态变量公式和双应力状态变量公式2种基本的理论表达式,并在此基础上产生了许多实用的强度公式。通过珞珈山土样的土–水特征曲线试验和非饱和三轴剪切试验对非饱和土强度公式进行比较研究。结果表明,珞珈山土样的进气值和残余含水量分别为237.7 kPa和4%;珞珈山土样非饱和强度在低吸力范围内,与吸力基本成线性增长关系,验证了非饱和土双变量强度公式的适用性;珞珈山土样的非饱和抗剪强度参数约为20.7°;现有的非饱和土实用公式精确性较差,非饱和土抗剪强度理论的应用有待进一步的研究与完善。     

Importance of considering unsaturated triaxial tests including ceramic disk as initial and boundary value problems

Considering unsaturated triaxial tests including a ceramic disk as initial and boundary value problems, a series of suction change, isotropic consolidation, and drained shearing processes was simulated using a soil-water-air coupled elastoplastic finite deformation analysis code. As a result, it was demonstrated that the delayed behavior of a wetting-induced collapse during the suction change and isotropic consolidation processes, as well as water-absorption behavior during the subsequent drained shearing process, were attributed not to the characteristics of the soil specimen, but to the permeability of the disk. Thus, it is important to take the ceramic disk into account in unsaturated triaxial tests regarded as initial and boundary value problems in order to understand the temporal change behavior of unsaturated soil specimens. Otherwise, there is a risk that the behavior appearing as the solution of an initial and boundary value problem may be modeled as a constitutive relation.