[发明专利]一种膨胀土在降雨入渗条件下增湿膨胀数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种膨胀土在降雨入渗条件下增湿膨胀数值模拟方法，采用流‑固耦合模块并编制相关FISH语言程序，实现非饱和渗流过程中非饱和区基质吸力、非饱和渗透系数以及土体强度参数随含水率的变化关系；然后基于“湿度应力场理论”，根据渗流连续性微分方程和热传导方程的相似性，推导出热力学参数和渗流参数的等效转换关系，并采用热力学模块，实现膨胀土在增湿条件下的膨胀变形过程。本发明能够有效且全面地实现膨胀土在降雨入渗条件下增湿膨胀的全过程数值计算，从而为膨胀土工程灾害高风险地区的工程设计、施工提供有效的科学指导手段，同时有力地推动计算土力学在实际工程建设和地质灾害防治等技术领域的应用。

主权项

1.一种膨胀土在降雨入渗条件下增湿膨胀数值模拟方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：1)建立膨胀土工程力学计算模型；采用FLAC^3D程序建立三维几何模型并划分计算网格，划分有计算网格的三维几何模型包括模型单元以及模型节点，所述膨胀土工程力学计算模型是根据具体膨胀土工程的实际情况建立的；2)对步骤1)所建立的膨胀土工程力学模型进行初始平衡地应力计算；3)结束步骤2)的计算后进行非饱和渗流计算：3.1)对模型单元设置相应的渗流参数，并根据具体膨胀土工程的实际情况设置初始饱和度和孔隙水压力，膨胀土工程力学模型的上边界设置为流量边界以模拟降雨入渗过程，并设置渗流计算时间；3.2)在每一渗流计算时步中，提取模型节点饱和度S_r，并判断模型节点饱和度S_r是否等于1.0；若是，则直接进行步骤3.3)；若否，则依据通过试验得出的土‑水特征曲线拟合公式计算该模型节点的基质吸力值，并将模型节点的基质吸力值赋值给节点的孔隙水压力后进行步骤3.3)；3.3)首先通过反距离加权插值法，将模型节点饱和度转化为模型单元饱和度，然后根据渗透系数和强度参数与饱和度之间的关系计算相应饱和度下模型单元的渗透系数以及强度参数值，并将相应饱和度下模型单元的渗透系数以及强度参数值赋给模型单元；3.4)检查地表节点的孔隙水压力pˊ，若孔隙水压力大于0，将该地表节点的流量边界修改为压力边界，固定该地表节点的孔隙水压力为0；若地表节点的孔隙水压力小于或等于零，则直接进行步骤3.5)，所述地表节点是膨胀土工程力学模型上边界节点；3.5)判断是否达到非饱和渗流计算的终止条件，若是，则结束计算过程并保存结果文件；若否，重复步骤3.2)‑3.4)直至达到非饱和渗流计算的终止条件；所述非饱和渗流计算的终止条件是渗流计算时间；4)结束步骤3)的计算后进行热传导计算：4.1)基于湿度应力场理论，根据渗流连续性微分方程和热传导微分方程的相似性，建立渗流参数与热力学参数的等效对应关系；其中，所述渗流连续性微分方程的表达形式是：所述热传导微分方程的表达形式是：式中：k_x、k_y以及k_z分别为x、y以及z这三个方向的渗透系数；h_m是基质吸力水头；C_w是比水容重；λ_x、λ_y以及λ_z分别为x、y以及z这三个方向的热传导系数；T是温度；ρ是介质密度；C_v是介质的比热容；t是时间；比较渗流连续性微分方程以及热传导微分方程可知，渗流参数与热力学参数存在等效对应关系，其中，渗透系数k_i对应热传导系数λ_i；基质吸力水头h_m对应温度T；比水容重C_w对应比热容ρC_v；根据以上对应关系，确定出热传导计算中模型单元和模型节点的热力学参数；4.2)提取步骤3)计算结束后保存的结果文件，给模型单元赋予上述按等效原理计算出的热力学参数；4.3)设定当模型单元含水率从残余含水率θ_r增加到饱和含水率θ_s时对应的温度为100℃，各模型节点对应的等效温度T_p采用线性插值法计算，计算公式如下：4.4)固定降雨入渗边界处模型节点的温度，并进行热传导计算，在每一热力计算时步中，判断各模型节点温度是否全部达到其等效温度T_p，若是，则结束计算过程；若否，则重复进行步骤4.3)直至达到等效温度T_p后结束计算；5)对数值模拟结果进行分析。