[發明專利]力學滲流耦合的非飽和土數值模擬方法及系統

在審

• 申請號: 201910781119.X
• 申請日: 2019-08-23
• 公開（公告）號: CN110852004A
• 公開（公告）日: 2020-02-28
• 發明（設計）人: 萬柯;馮文凱;廖小芳;王曉蘭
• 申請（專利權）人: 成都理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F17/13;G06F17/16;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 北京興智翔達知識產權代理有限公司 11768
• 代理人: 肖叢

本發明提供了一種力學滲流耦合的非飽和土數值模擬方法及系統，屬于非飽和土數值模擬領域。該方法在合理表征非飽和土吸力相關的彈塑性本構行為的巴塞羅那基本模型(BBM)的基礎上，發展基于非飽和的Cosserat?Biot連續體的水力?力學有限元數值模擬方法。通過采用更加合理地表征非飽和土吸力相關的彈塑性行為的本構模型，及更準確反映土體滲流?變形耦合行為的連續體模型，提高非飽和土的力學滲流耦合數值模擬的準確性。

技術領域

本申請涉及非飽和土數值模擬領域，具體而言，涉及一種力學滲流耦合的非飽和土數值模擬方法及系統。

背景技術

非飽和土的變形是由其內部應力和孔隙流體的耦合作用引起的。為了準確合理地描述非飽和土的水力-力學本構行為，其本構模型中采用了由應力、孔隙流體參量共同定義的有效應力狀態變量。國際上非飽和土研究領域的知名專家Bishop、Fredlund、Coleman等人在其研究成果中強調了非飽和土的本構模型中引入孔隙水滲流效應相關的吸力、有效應力參量的重要性。在此基礎上，Alonso和Gens提出了針對非飽和土的著名的Alonso-Gens本構模型，或稱為巴塞羅那基本模型(BBM)，并在此本構模型中將凈應力和吸力定義為基本應力狀態變量。此后BBM開始廣泛地應用于非飽和土的研究和工程領域，此模型也在廣泛地應用中得到了更加深入地修正和發展。

在二十世紀初，Cosserat兄弟首先提出引入了“微旋轉”自由度的Cosserat連續體，而后Eringen總結并發展了Cosserat連續體具體的理論框架。Cosserat連續體具有在一定程度上考慮土體的細觀微結構特征的優勢，在經典連續體平移自由度的基礎上引入了“微旋轉”自由度，并且引入了具有微結構“特征長度”意義的內尺度參數。并且Cosserat連續體對有限元模型引入了正則化機制，具有消除對應變局部化現象數值模擬產生的病態網格依賴性的優勢。

非飽和土的數值模型研究是在飽和土數值模型理論的基礎上開展的?；陲柡屯练治龅腂iot理論框架，英國的Zienkiewicz率先發展了非飽和土的數值模型，然而在他們的模型中由于應用了被動空氣壓力假定，而忽略了非飽和土孔隙氣體壓力的變化和孔隙氣體的流動，導致了此模型的誤差和應用上的局限性。并且很多國內學者如李錫夔、武文華、吳禮舟、徐炎兵等也進一步發展了固、液、氣三相耦合分析的非飽和土有限元數值模擬，使非飽和土的數值模擬在國內的土力學研究和工程領域得到了廣泛的應用和長足的進步。

然而，當前已有的非飽和土數值模擬研究對合理地表征土體細觀尺度的土顆粒旋轉這一細觀特征，以及準確地表征表征吸力相關的彈塑性本構行為，并由此開展的非飽和土力學-滲流耦合效應引起的非飽和土性質研究是有所欠缺的，導致非飽和土力學滲流耦合數值模擬的準確性低。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種力學滲流耦合的非飽和土數值模擬方法及系統，旨在提高非飽和土的力學滲流耦合數值模擬的準確性。

第一方面，本申請提供一種力學滲流耦合的非飽和土數值模擬方法，包括如下步驟：

S100：根據非飽和土的地質模型建立有限元數值模型；

S200：根據非飽和土物理力學參數、土工經驗參數獲得非飽和土BBM模型所需的巖石力學和水力學參數；

S300：根據所述有限元數值模型、參數特征確定時間步長、荷載增量、計算步數、計算模式、計算結果輸出定義；

S400：以均勻時間步長遞增時間的方式開展有限元循環計算，獲取分析結果。

結合第一方面，在第一方面的第一種可能的實現方式中，所述以均勻時間步長遞增時間的方式開展有限元循環計算，獲取分析的計算步驟包括

S410：施加當前時間步的力學、孔隙流體的邊界荷載增量。

S420：對有限單元計算應變增量、更新單元內的孔隙流體壓力、流速。