一种带张拉裂缝黏土心墙流固耦合分析方法

本发明属于黏土心墙性态变化分析，具体涉及一种带张拉裂缝黏土心墙流固耦合分析方法。

背景技术：

1、在现代水利工程中，尤其是在堆石坝的建设中，黏土心墙的稳定性至关重要。黏土心墙的主要功能是作为防渗结构，保持堆石坝的稳定和安全。在其设计和分析中，考虑流固耦合作用对黏土心墙张拉裂缝性态的影响尤为关键。

2、传统的黏土心墙分析方法通常考虑到饱和土的行为，但对于非饱和土体性质，尤其是孔隙中水-气相互作用的影响，研究较少。这导致在分析黏土心墙的裂缝和渗流薄弱层时，存在准确度不足的问题。特别是在黏土心墙内部因施工、变形不协调等原因出现裂缝时，渗流场与应力场的相互作用变得复杂。裂缝内的水压荷载导致裂缝张开和扩展，从而对土体变形和裂缝渗流产生影响。因此，为了更准确地分析和预测黏土心墙的行为，特别是在考虑非饱和土体和裂缝渗流相互作用的情况下，需要研究一种更为复杂的流固耦合分析模型。

3、综上所述，现有技术在非饱和土体特性分析、裂缝行为预测以及流固耦合效应分析方面存在明显不足。因此，开发一种能够准确评估带张拉裂缝的非饱和黏土心墙在不同环境和负荷条件下性能的新模型变得尤为重要。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种带张拉裂缝黏土心墙流固耦合分析方法，能够评估非饱和黏土心墙在各种环境和负荷条件下的性能，有助于提高工程安全性和可靠性。

2、技术方案：本发明所述带张拉裂缝黏土心墙流固耦合分析方法，

3、所述带张拉裂缝黏土心墙包括土体介质和裂缝，所述土体介质包括土颗粒、孔隙水和孔隙气体，所述裂缝由土颗粒、水和气共同填充；

4、所述分析方法包括：基于质量守恒原理，建立土体介质中孔隙水连续方程、土体介质中孔隙气连续方程，以描述孔隙水和孔隙气体在土体介质中的运动；

5、基于裂缝与土体介质之间的渗流交换作用，建立裂缝内水体连续方程、气体连续方程；

6、建立黏土心墙静力平衡方程，以描述土颗粒骨架在外部载荷作用下的应力-应变响应；

7、通过联立土体介质及裂缝内的水、气连续方程和黏土心墙静力平衡方程，建立带张拉裂缝黏土心墙水-气-固耦合分析模型，确定模型的定解条件，包括土体变形、土体孔隙水压、土体孔隙气压、裂缝水压、裂缝气压的初始条件和边界条件。

8、进一步完善上述技术方案，所述带张拉裂缝黏土心墙流固耦合分析方法基于如下假设条件：(1)黏土心墙中土相、水相均为连续介质，且土颗粒、孔隙水均不可压缩；(2)孔隙水、孔隙气体流动过程中均满足darcy定律；(3)忽略温度效应，假定心墙为等温体；(4)不考虑气体在水中的溶解、扩散以及水蒸气的移动影响。

9、进一步地，所述土体介质、裂缝的微分单元中各项质量表示为：

10、

11、式中：ms、mw、ma分别为微分单元中土颗粒、孔隙水和气的质量；ρs、ρw、ρa分别为土颗粒、孔隙水和气的密度；n为孔隙率；s为饱和度；v为微分单元体积；

12、土体介质中孔隙水连续方程表达式为：

13、

14、式中：kw为孔隙水的渗透系数，γw为水的容重，pw为孔隙水压力，εv为荷载作用下土体体积应变，pa为孔隙气压力，ps为基质吸力，

15、土体介质中孔隙气连续方程表达式为：

16、

17、式中：ka为孔隙气渗透系数，γa为孔隙气的容重，ka为孔隙气体体积模量。

18、进一步地，所述裂缝内水体连续方程表达式为：

19、

20、裂缝内气体连续方程表达式为：

21、

22、式中：kcw为裂缝内水体渗透系数，pcw为裂缝内孔隙水压，w为裂缝宽度，nc为裂缝孔隙率，q1c为由裂缝面渗漏到土体中的流量；kca为裂缝内气体渗透系数，pca为裂缝内孔隙气压；q1c为由裂缝面渗入到土体中的气体流量。

23、进一步地，所述黏土心墙的静力平衡方程表达式为：

24、

25、式中：d为弹性矩阵，χ为有效应力系数；i为单位矢量；f为土体体力。

26、进一步地，联立土体介质中孔隙水连续方程表达式、土体介质中孔隙气连续方程表达式、裂缝内水连续方程表达式、裂缝内气体连续方程表达式和心墙黏土静力平衡方程得到带张拉裂缝黏土心墙水-气-固耦合方程，其表达式为：

27、

28、

29、

30、

31、

32、带张拉裂缝黏土心墙水-气-固耦合方程的定解条件包括土体介质位移、孔隙水压、气压及裂缝的水压、气压的初始条件和边界条件；

33、其中，初始条件为：

34、

35、

36、

37、

38、

39、式中：u0、pw0、pa0、pcw、pca分别为起始计算时间对应的位移、土体介质内孔隙水压、孔隙气压、裂缝内水压和裂缝气压值；

40、在γ边界上要满足的第一类边界条件为：

41、

42、

43、

44、

45、

46、式中：分别为土体介质在边界上的位移约束、孔隙水压约束、孔隙气压约束、裂缝在边界处的水压和气压约束；

47、在γ边界上要满足的第二类边界条件为：

48、

49、

50、

51、

52、

53、

54、

55、

56、式中：分别为土体介质在边界上的荷载值、在裂缝处的黏着力值、在边界处孔隙水流量、孔隙气流量约束、裂缝在边界处的孔隙水流量和孔隙气流量约束。

57、进一步地，将土体介质中孔隙水、气视为混合流体，且假设：(1)黏土心墙为小变形；(2)黏土心墙孔隙气体以气泡的形式存在，完全被水包裹封闭且不相对水体运动；

58、建立土体介质混合流连续方程：

59、

60、将裂缝内水体、气体视为混合流体，得到裂缝内混合流连续方程为：

61、

62、黏土心墙静力平衡方程为：

63、进一步地，联立混合流连续方程和黏土心墙平衡方程，得到带张拉裂缝黏土心墙混合流流固耦合方程，

64、

65、

66、

67、带张拉裂缝黏土心墙混合流流固耦合方程的定解条件包括土体部分变形、混合流渗压及裂缝混合流渗压的初始条件和边界条件，其中，初始条件为：

68、

69、

70、

71、式中：u0、pm0、pcm0分别为起始计算时间对应的位移、土体介质内混合流体压力、裂缝内混合流体压力；

72、在γ边界上要满足的第一类边界条件为：

73、

74、

75、

76、式中：分别为土体介质在边界上的位移约束、混合流体压力约束、裂缝在边界处的混合流体压力约束；

77、在γ边界上要满足的第二类边界条件为：

78、

79、

80、

81、

82、

83、式中：t、分别为土体介质在边界上的荷载值、在裂缝处的黏着力值、土体介质在边界处的混合流流量约束、裂缝在边界处的混合流流量约束。

84、进一步地，所述带张拉裂缝黏土心墙水-气-固耦合分析模型中计算参数包括饱和度、渗透系数、及有效应力系数；

85、所述有效饱和度se与基质吸力ps的关系表达式为：

86、

87、式中：se为有效饱和度，ps为基质吸力，a、b、c为拟合参数；

88、有效饱和度se与饱和度s的关系表达式为：

89、

90、式中：smax为最大饱和度；sr为土体残余饱和度；

91、所述渗透系数k与孔隙比e的关系表达式为：

92、

93、式中：k0为初始固有渗透性；e0为初始孔隙比；e为孔隙比；

94、所述有效应力系数σ′与总应力σ、孔隙气压pa、基质吸力pa-pw和有效应力系数χ的关系表达式为：

95、σ′＝(σ-pai)+χ(pa-pw)i

96、式中：σ′为有效应力，σ为总应力，pa为孔隙气压力，pw为孔隙水压力，pa-pw为基质吸力，χ为有效应力系数，当χ＝1是土体为饱和状态，χ＝0表示土体为全干状态。

97、有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明围绕带张拉裂缝非饱和黏土心墙流固耦合问题，通过分析黏土心墙中水、气、土颗粒三者间受力关系及裂缝渗流与土体流固耦合影响，并基于质量守恒原理及非饱和土有效应力原理，构建了水、气连续方程和土体静力平衡方程；考虑裂缝宽度变化及裂缝与土体之间的流量交换，建立了裂水、气连续方程，据此提出了带张拉裂缝黏土心墙水-气-固耦合分析模型。

98、针对黏土心墙饱和度较高、孔隙气体完全被水包裹封闭的特点，将孔隙水、气视为混合流体，同时考虑孔隙气体压缩性的影响，对常规的混合流流固耦合分析模型进行了改进，并给出了确定混合流体体积模量的方法，在此基础上，考虑裂与土体在裂缝面处存在流量交换，提出了带张拉裂缝黏土心墙混合流流固耦合分析模型。

99、针对带张拉裂缝黏土心墙流固耦合分析模型中参数非线性变化特性，综合考虑变形、渗压对物理力学参数的影响，确定了饱和度、渗透系数、有效应力系数的计算。

100、本发明提供的带张拉裂缝黏土心墙流固耦合分析方法，能够评估非饱和黏土心墙在各种环境和负荷条件下的性能，特别是在考虑裂缝和渗流薄弱层的影响。通过混合流流固耦合分析模型，能够有效处理黏土心墙在高饱和度情况下的特殊性，改进了对非饱和土体和裂缝渗流相互作用的理解和分析。在核心参数及其相互关系的分析上，为非饱和黏土心墙的设计和安全评估提供了更加可靠的理论依据和计算工具，特别是在处理复杂的工程条件和环境变化时。因此说，本发明为黏土心墙的设计和安全评估提供了一种新的分析方法，有助于提高工程安全性和可靠性。