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流固耦合下的边坡稳定分析

作　者: 林子杨
导　师: 李宗坤
学　校: 郑州大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 有限元 边坡稳定 渗水管 流固耦合
分类号: TV221.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


水利工程的边坡稳定问题影响着整体工程的可行性、安全性与合理性,决定着整个工程的成败。在边坡稳定的种种影响因素中,流固耦合问题是工程技术人员和学者们研究的重点,也是难点。对于流固耦合问题,研究人员提出了多种简化方法：代替容重法和静水压力法等。但是这些简化方法与实际情况还是存在一定的差距。在实际情况中,渗流场与应力场是相互影响的：渗流场改变着土体的力学性质,导致土体应力重新分配；土体应力又作用于土体骨架导致土体孔隙比的变化,孔隙比的变化直接影响着渗透系数,就这样渗流场与应力场相互作用影响。所以研究流固耦合问题对边坡稳定的影响具有一定的现实意义。应用有限元方法研究流固耦合问题已取得了一定成果,但是对于存在介入物情况的流固耦合问题的研究还存在着空白,我们假定这种介入物为具有一定渗透能力的管,研究在它的作用影响下,渗流场和应力场耦合情况下的土体边坡稳定问题。本文以土体边坡稳定性分析理论、渗流场分析理论和渗流-管流等效渗透系数理论为基础,结合有限元强度折减原理,以模型发生位移突变、土体形成塑性贯通区为边坡失稳评判标准,建立有限元模型,对比分析ABAQUS软件模拟的可行性与合理性。在此基础上,以实际工程为算例,对其进行了模拟分析。最后,分析了粘聚力、内摩擦角、坡率等影响因素对边坡稳定性的影响,给出了实际工程中对流固耦合问题进行简化计算的可忽略条件。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-16
  1.1 研究的背景及其意义  9
  1.2 国内外研究现状分析  9-15
    1.2.1 边坡稳定理论现状  10-12
    1.2.2 流固耦合理论现状  12-15
  1.3 本文的主要研究内容  15-16
2 基本理论  16-37
  2.1 渗流、管流理论  16-20
    2.1.1 渗流计算的基本原理  16-17
    2.1.2 渗流场连续性方程与基本微分方程  17-18
    2.1.3 管流模拟基本原理  18-20
  2.2 流固耦合理论  20-30
    2.2.1 比奥固结理论  21
    2.2.2 孔隙介质的有效应力原理  21-22
    2.2.3 渗透系数与孔隙比的关系  22-23
    2.2.4 渗透系数与应力之间的关系  23
    2.2.5 渗透系数与应变之间的关系  23-24
    2.2.6 渗流场与应力场耦合方程  24-28
    2.2.7 直接耦合与间接耦合  28
    2.2.8 渗流场中管流的模拟  28-30
  2.3 边坡稳定数值模拟  30-37
    2.3.1 应力场平衡方程  30-31
    2.3.2 应力场边界条件  31
    2.3.3 强度折减法  31-33
    2.3.4 本构模型的选择  33-35
    2.3.5 失稳判据  35-37
3 边坡稳定的有限元分析  37-53
  3.1 有限元模型的建立  37-43
    3.1.1 ABAQUS简介  37-38
    3.1.2 有限元方法  38-39
    3.1.3 计算中考虑的一些问题  39-43
  3.2 渗流相关有限元模型  43-46
    3.2.1 渗流有限元模型  43-45
    3.2.2 考虑管流的渗流有限元模型  45-46
  3.3 边坡稳定相关有限元模型  46-53
    3.3.1 边坡稳定有限元分析  47-48
    3.3.2 不考虑耦合时渗流对边坡稳定影响有限元模型  48-50
    3.3.3 流固耦合的有限元模型  50-53
4 工程实例分析  53-61
  4.1 工程简介  53-55
  4.2 渗流模型  55-56
  4.3 不考虑流固耦合的边坡稳定分析  56-58
  4.4 流固耦合下的边坡稳定分析  58-61
5 参数的敏感性分析  61-68
  5.1 排水管的三管排水和两管排水对边坡稳定的影响  61-63
  5.2 回填土边坡的坡率对边坡稳定的影响  63-65
  5.3 回填土的内摩擦角对边坡稳定的影响  65-66
  5.4 回填土的粘聚力对边坡稳定的影响  66-68
6 结论与展望  68-70
  6.1 结论  68
  6.2 展望  68-70
参考文献  70-73
个人简历、发表论文及参与科研  73-74
致谢  74

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中图分类: > 工业技术 > 水利工程 > 水工勘测水工设计 > 水工勘测 > 工程地质和水文地质勘探
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