本文關(guān)鍵詞：非飽和土水力耦合模型理論分析與方法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：降雨誘發(fā)滑坡、天然氣水合物的開(kāi)發(fā)、路堤沉降等諸多工程問(wèn)題均涉及到土體水力耦合問(wèn)題。在非飽和水力耦合過(guò)程中,其控制方程呈現(xiàn)出強(qiáng)非線性特征,要求解出在各種邊值條件下,并全面考慮多因素的控制過(guò)程是一項(xiàng)十分艱巨的任務(wù)。 本文以多孔介質(zhì)理論以及連續(xù)介質(zhì)理論為基礎(chǔ),緊密結(jié)合非飽和土滲流變形耦合機(jī)理的數(shù)學(xué)化描述,從一些基本的本構(gòu)假設(shè)出發(fā),嚴(yán)格推導(dǎo)得到不同初邊值條件下的非線性耦合模型。以此為基礎(chǔ),重點(diǎn)開(kāi)展了非飽和滲流變形耦合在不同邊界條件下的解析求解以及非平穩(wěn)隨機(jī)性分析等問(wèn)題的研究。主要研究成果如下： (1)建立不同邊界條件非線性非飽和水力耦合理論模型與系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 以由固相與水、空氣構(gòu)成的非飽和土三相連續(xù)體為研究對(duì)象,基于其中各組分幾何結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,結(jié)合連續(xù)性規(guī)律與Reynolds輸運(yùn)定理,以流體流動(dòng)特征量與吸力、孔隙分布、體積變形間的相互關(guān)系為基礎(chǔ),建立非飽和土體中流體流動(dòng)與變形的耦合模型。針對(duì)不同的初始條件與邊界條件以及不同狀態(tài)下的滲流特性,推導(dǎo)出更為簡(jiǎn)潔一般的非飽和土水力耦合數(shù)學(xué)模型。此外,基于本構(gòu)關(guān)系一階Talyor展開(kāi)與指數(shù)型擾動(dòng)模型,提出判據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的一般性條件。由該條件可知,初始飽和度、進(jìn)氣值與出氣值的比值、孔隙率的變化以及由非飽和轉(zhuǎn)換為飽和時(shí)的速度均會(huì)引起耦合系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 (2)求得變換后耦合模型解析解 針對(duì)模型的非線性特征,推導(dǎo)出簡(jiǎn)化耦合模型的變換條件。通過(guò)積分變換法求解不同邊界條件下一維耦合模型的解析解,并跟相關(guān)的數(shù)值解對(duì)比,確定其有效性。對(duì)于二維的水力耦合模型,在不同邊界條件下,給出其Green函數(shù)的級(jí)數(shù)形式,最終求得不同邊界條件下的耦合模型的解析解。結(jié)果表明不同邊界條件下的吸力分布是存在很大的差異的。 (3)求得非線性耦合模型同倫分析解 考慮到非線性流情況下的強(qiáng)非線性特征,通過(guò)同倫分析法在求解強(qiáng)非線性微分方程時(shí)在選擇線性算子以及輔助參數(shù)上具有明顯的優(yōu)勢(shì),求得非飽和非線性滲流-變形耦合模型的同倫分析解。 針對(duì)非飽和土固結(jié)方程的非線性特征,對(duì)于處于地表淺層的非飽和土層,在Richard經(jīng)驗(yàn)公式與非飽和士固結(jié)理論的基礎(chǔ)上,將該非線性固結(jié)方程轉(zhuǎn)換為線性的微分方程組并求解得到固結(jié)問(wèn)題的解析解。 (4)耦合模型的非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程分析 為了考察土體水力特性的空間變異性對(duì)非飽和滲流-變形耦合的影響,運(yùn)用攝動(dòng)理論法,推導(dǎo)出耦合模型隨機(jī)微分控制方程�？紤]滲透函數(shù)與變形參數(shù)的變異性,運(yùn)用有限差分法最終求得控制變量的變異性,結(jié)合具體實(shí)例分析了耦合模型的變異性特征。結(jié)果表明,土體越干燥,水頭的變異性越大；水頭的變異性對(duì)于土體變形較為敏感,尤其是在較為干燥的情形下。 (5)依托廣佛肇高速公路項(xiàng)目,在降雨條件下對(duì)典型填方邊坡進(jìn)行水力耦合解析分析 為了探討典型填方邊坡的滲流變形特性,首先,研究了非飽和粉質(zhì)黏土的水力特性以及強(qiáng)度特征。依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),運(yùn)用非線性曲線擬合分別得到原狀樣與重塑樣的滲透函數(shù)方程。三軸剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該非飽和粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度特征受干密度與圍壓的影響較大。然后,依托廣佛肇高速公路項(xiàng)目,選取某一典型填方邊坡,建立該邊坡的水力耦合模型。結(jié)合Green函數(shù)法與HAM法,推導(dǎo)得到該耦合方程的解析解。最后,針對(duì)不同降雨強(qiáng)度,探討了在降雨條件下邊坡的吸力分布與路面處位移變化規(guī)律,為填方工程的邊坡設(shè)計(jì)與施工提供理論指導(dǎo)。
【關(guān)鍵詞】：非飽和土 水力耦合 初邊值問(wèn)題 非線性特征 隨機(jī)分析
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU43
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 主要符號(hào)列表12-18
• 1 緒論18-26
• 1.1 選題依據(jù)及意義18-19
• 1.2 研究現(xiàn)狀19-23
• 1.3 本文的主要工作23-26
• 2 非飽和土水力耦合模型理論分析26-47
• 2.1 非飽和土水力耦合理論模型26-32
• 2.2 定解條件32-36
• 2.3 不同邊界條件水力耦合數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化形式36-41
• 2.4 耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性分析41-46
• 2.5 本章小結(jié)46-47
• 3 不同邊界條件非飽和水力耦合模型解析分析47-87
• 3.1 非飽和水力耦合簡(jiǎn)化變換47-54
• 3.2 非齊次邊界可線性化耦合模型解析解54-70
• 3.3 耦合模型同倫分析解70-85
• 3.4 本章小結(jié)85-87
• 4 非飽和水力耦合模型隨機(jī)分析87-102
• 4.1 隨機(jī)過(guò)程87-88
• 4.2 非飽和水力耦合隨機(jī)理論模型88-90
• 4.3 非飽和穩(wěn)態(tài)滲流變形耦合非平穩(wěn)隨機(jī)分析90-100
• 4.4 本章小結(jié)100-102
• 5 降雨條件下非飽和土邊坡水力耦合分析102-116
• 5.1 工程背景102-103
• 5.2 非飽和粉質(zhì)黏土水力特性103-107
• 5.3 非飽和粉質(zhì)黏土強(qiáng)度特征107-108
• 5.4 降雨條件下邊坡水力耦合分析108-112
• 5.5 結(jié)果分析112-114
• 5.6 本章小結(jié)114-116
• 6 主要結(jié)論與展望116-119
• 6.1 主要結(jié)論116-117
• 6.2 展望117-119
• 致謝119-121
• 參考文獻(xiàn)121-135
• 附錄1 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄135-137
• 附錄2 攻讀博士學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目137-138
• 附錄3138-140
• 附錄4140-143
• 附錄5143-145
• 附錄6145

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