考虑孔隙水浮力的渗透力公式推导

渗透力指土中的孔隙水由于定向渗透而沿渗流方向作用于单位体积土体中土颗粒上的体积力.教材大都通过流管渗流的方式来推导渗透力公式,然而推导的具体步骤尚不足够清晰,其主要原因在于忽略了孔隙水对土颗粒浮力的考虑.作者以流管中孔隙水为研究对象,考虑孔隙水对土颗粒浮力的反作用力,通过求解平衡方程对渗透力公式进行推导,期待读者指正.     

饱和多孔介质大变形分析的一种有限元-有限体积混合方法

建立了饱和多孔介质大变形分析的一种有限元-有限体积混合计算方法.将饱和多孔介质视为由固体骨架和孔隙水组成的两相体,其基本方程包括动力平衡方程和渗流连续方程.基于u-p假定和更新的Lagrange方法,饱和多孔介质的动力平衡方程在空间域内采用有限元方法进行离散,而渗流连续方程在空阃域内则采用有限体积法进行离散.通过两个数值算例,一维有限弹性固结和动力荷载作用下堤坝动力响应的计算,验证了该方法的有效性.     

波浪引起的海底土层中的应力场和位移场

本文分析了波浪压力引起的海底土层中孔隙水流动的状况,给出了简化的力学模型来描述海底土层中孔隙水流动所引起的应力场和位移场.对波浪的分析采用了线性波的理论假设,波浪引起的压力计算采用高斯分布理论.孔隙流体和土骨架都假设为可压缩的,孔隙水在海底土层中的流动满足达西定律.由表示质量守恒的连续性方程与应力平衡方程出发,得到了由位移所表示的高阶微分方程,并给出了海底土层中位移场和应力场的解.其解依赖于孔隙流体和土骨架的相对压缩性,土的泊桑比和剪切模量,以及土介质的渗透率和各向异性等特性.文章还结合实际情况进行了计算,并分析了上述参数的影响.对如何应用上述结果提出了相应的参考意见.     

孔隙压力作用下圆形巷道围岩的蠕变分析

在原有的岩土流变理论基础上,与渗流力学原理相结合,考虑孔隙压力及孔隙度在岩石蠕变过程中对于岩体变形的影响,在弹性解答的基础上,通过Laplace变换(对应性原理)得出解析解．在一定的假设条件下,利用弹性力学基本方程、蠕变方程及有效应力原理(Terzaghi有效应力方程),采用H-K体模型作为本构方程,将孔隙压力引入到围岩蠕变方程中．给出在孔隙压力作用下的蠕变曲线,并与不考虑孔隙压力和定孔隙压力条件下蠕变曲线相比,其更接近于实际．     

一种考虑液相惯性的一维准静力固结模型

经典Terzaghi一维固结理论不考虑孔隙流体惯性影响,且该理论在不同时期模型推导和表述结果差别较大,导致当前仍存在诸多困惑甚至认识混乱的现象.在笔者前期研究大变形动力固结理论框架内,忽略固相惯性而重点考虑液相惯性影响,经过合理简化建立反映孔隙流体惯性的一维小变形固结波动模型.该固结波模型具有频散和耗散特性.采用分离变量法,可得到单面排水和瞬时加载条件下无量纲形式固结波解析解答.算例分析结果表明:固结波发展规律受无量纲数D_c变化影响而呈现不同性态;D_c数值较大时固结波响应会出现阶跃和正负波动现象;当D_c值较小时,可能出现Mandel-Cryer效应等特殊现象.通过对早期和后期Terzaghi固结模型的分析和对比,初步探明Terzaghi固结理论模型内部的矛盾性,在普通土体坐标和固相体积坐标两种不同解读条件下,早期Terzaghi(1923,1925)模型可以分别诠释为具有小变形和大变形属性的不同固结模型.在经典一维固结理论模型的不同诠释背景下,固结波模型也可以据此作出相应拓展和表述.固结波理论揭示缩尺固结试验中土体物理力学参数与固结波响应两种因素之间存在一种不确定性矛盾,据此建议微观土力学研究重视尺度效应.固结波模型的意义还在于,可为Terzaghi经典固结模型理论精度分析提供新的依据.     

雨天路滑现象的力学建模与分析

针对雨天路滑这一自然现象,基于土力学固结理论、强度理论和有效应力原理等,探讨提出了简化一维等效模型条件下的建模分析方法.采用固结土体抗剪强度除以剪应力的形式,建议了一种道路表面抗滑安全系数.结合工程经验性常见土体参数和路面行走算例,按简化模型进行了定性和定量分析,探讨了路滑的影响因素及其规律.结果表明,在算例条件下,一般砂土路面抗滑安全系数大致为黏土路面的6.0～9.0倍.土力学模型有望为路面抗滑设计和评估提供新的思路.     

饱和土中剪切带宽度的研究

主要对饱和土在简单剪切和耦合载荷下的剪切带宽进行了理论分析. 在模型中考虑了剪胀、孔压耗散、惯性及孔隙水和土颗粒之间阻力等因素的耦合效应，将有效应力考虑为应变、应变率和孔隙压力的函数. 通过对模型的简化分析得到简单剪切和耦合应力状态下的剪切带宽度的近似计算公式. 分析表明，当土体失稳后，会出现有限厚度的剪切带, 且其形成是一个后期过程，可以忽略惯性效应. 剪切带的厚度依赖于孔隙压力特性和土体骨架的剪胀特性，但是不依赖应力状态. 最后将分析与实验结果进行了对比，在一定程度上，两者是符合的.     

纤维增强复合材料层合球壳的应力分析

1. 引言本文对受内压的复合材料球壳应用经典层合理论进行应力应变的分析。由一般球形壳体理论的五个平衡方程、六个几何方程及由层合理论导出的六个物理方程,共有十七个独立的方程可求解十七个未知函数,它们是三个中面位移、三个中面应变、三个曲面的曲率变化、五个应力合力、三个合力矩。应用球形壳体的应力函数U以后,得到二个基本微分方程。如为对称铺设此二基本微分方程可以简化。本文用有限差分法解此二基本微分方程。2. 基本方程的推导球壳的平衡方程如下:     

渗流力对裸眼井筒周围应力场及地层破裂压力影响机理研究

流体渗流进入储层岩石的孔隙喉道时会给岩石骨架施加渗流力作用,该力会打破储层岩石原有的应力平衡状态,影响岩石的变形与破坏.尽管大量实验与数值模拟研究已经证实渗流力对岩土破坏有显著影响,但在石油工程领域有关渗流力的研究鲜有报道.渗流力对水力压裂裂缝起裂与扩展的影响机理仍不清楚.基于此,文章首先基于土力学渗流力定义式和Biot固结理论对压裂液渗流进入岩石孔隙时渗流力的作用机理进行了研究.然后以裸眼井为例分析了渗流力作用形成的应力场,推导了考虑渗流力作用的地层破裂压力解析解公式,揭示了渗流力作用对裸眼井地层破裂压力的影响规律.研究结果表明:孔隙压差等于一个大气压时,单位立方厘米岩样所受体积力渗流力的大小远超同等大小岩样所受体积力重力的大小,渗流力对储层岩石的作用不可忽视.压裂液渗流进入储层岩石孔隙时,渗流力作用可以显著降低裸眼井筒周围的有效周向应力,增大井壁发生拉伸破坏的可能. Biot有效应力系数越大,渗流力作用越强,井筒周围应力场被渗流力作用影响的范围越大.相比较不可渗透的储层,渗流力作用显著降低了裸眼井的地层破裂压力.地层深度越大,两向应力差越小时渗流力作用对裸眼井地层破裂压力的影响越显...     

考虑侧面摩擦的侧限压缩模型的数值解法

海上箱筒型基础结构下沉到位后,舱内土体的受力变形可以看作是侧限压缩模型问题,上部荷载引起的侧壁摩擦力与土体应力之间的关系较为复杂。本文通过简化模型,列出了侧限压缩模型的平衡微分方程,分析了方程解析计算时存在的难点,结合摩擦应力边界条件的特点,构造函数迭代法对该方程进行数值求解,展示了计算的收敛过程,得到接触侧面上水平应力和土体表面位移的非线性分布规律,并将其结果与ABAQUS数值模拟结果进行了对比。结果表明,函数迭代法收敛速度较快,计算过程稳定,对其他存在变量耦合边界条件的微分方程数值求解有一定的参考价值。     

ANALYTICAL SOLUTION OF THERMAL CONSOLIDATION OF SATURATED SOILS WITH TWO PARALLEL CYLINDRICAL HEAT SOURCES1）

基于应力平衡条件、渗流连续方程、能量守恒方程,考虑土颗粒和孔隙水热膨胀系数的不同,建立考虑热水力耦合的饱和土体三维热固结控制方程。利用傅里叶变换和拉普拉斯变换导出变换域上的控制方程,解得点热源在变换域和实数域上的解析解,再利用区域积分给出两平行圆柱形热源热固结土体温度、孔压、位移的解析解,并对其进行分析,发现径距比增大会导致两热源温度相互影响程度减弱,热固结系数减小会导致孔压和位移的峰值增大。     

土力学有效应力及其作用的讨论

讨论了饱和土有效应力的作用及其使用中应注意的问题,以及土力学预测中存在的不确定性的几种情况.从土的各相平衡方程出发推导得到了非饱和土的总应力和各相应力之间的关系, 以及非饱和土的平均骨架应力的表达式,并定义该式为非饱和土的有效应力;该表达式与变形功推导得到的有效应力公式是一致的. 文中还就非饱和土有效应力的一些问题进行了探讨.      

Numerical simulation of a fluid-saturated soil under a dynamically loaded pile

The behaviour of the soil under a dynamically loaded pile toe is studied. The soil is modelled as a fluid saturated porous continuum. The constitutive behaviour of the solid skeleton is described by the elasto-plastic model of Drücker-Prager. The wave propagation is simulated with a dynamical finite-element program.A two-phase model of soil gives useful information about effective stress and pore pressure in the soil. In saturated soil the main wave under the pile toe propagates more downards than in dry soil, due to the higher compressional stiffness in saturated soil. The plastic zone under the pile toe propagates with the velocity of the fast compressional wave. The pore fluid influences the plasticity strongly and can be expected to affect pile driving too.The distribution of effective stress and pore pressure under the pile toe depends on the permeability of the soil and cannot be calculated uniquely from a single-phase calculation. Therefore, a nonlinear soil cannot be modelled correctly as a conventional single-phase material.     

Formulation of a finite deformation model for the dynamic response of open cell biphasic media

The paper illustrates a biphasic formulation which addresses the dynamic response of fluid saturated porous biphasic media at finite deformations with no restriction on the compressibility of the fluid and of the solid skeleton. The proposed model exploits four state fields of purely kinematic nature: the displacements of the solid phase, the velocity of the fluid, the density of the fluid and an additional macroscopic scalar field, termed effective Jacobian, associated with the effective volumetric deformation of the solid phase.The governing equations are characterized by the property of being all expressed in the reference configuration of the solid phase and by the property of employing only work-conjugate variables, thus avoiding the use of a total Cauchy stress tensor.In particular, the set of governing equations includes a momentum balance equation associated with the effective Jacobian field. This equation, differently from the closure-equations proposed by other authors which express a saturation constraint or a porosity balance, is derived as a stationarity condition on account of a least-action variational principle.     

不可压饱和多孔弹性简支梁的动力响应

在杆件弯曲小变形的假定下,考虑杆件的侧向变形因素,根据多孔介质理论,本文首先建立了不可压饱和多孔弹性梁弯曲变形时动力响应的控制方程。其次,基于所建立的控制微分方程,利用变量分离法,研究了两端可渗透的饱和多孔弹性简支梁在梁中间集中载荷作用下的动力响应,得到了不同物性参数下简支梁动态弯曲时挠度和孔隙流体压力等效力偶等随时间的响应曲线。研究发现由于孔隙流体和固相骨架的相互作用,不可压饱和多孔弹性梁挠度的动力响应具有粘性特征,同时,随着时间的增加,饱和多孔弹性梁的挠度、弯矩等最终趋于经典弹性梁的静挠度、弯矩,此时,孔隙流体压力为零,梁的固相骨架承担所有的外载荷。     

不可压饱和粘弹性多孔介质的变分原理及其无网格模拟

基于饱和多孔介质理论,在固相和液相微观不可压,固相骨架小变形且满足线性粘弹性积分型本构关系的假定下,建立了流体饱和粘弹性多孔介质动力响应的若干Gurtin型变分原理,包括Hu-Washizu变分原理.利用所建立的变分原理,导出了流体饱和粘弹性多孔介质动力响应无网格数值模拟的离散控制方程,此方程是一个关于时间的对称微分方程组,便于分析计算.作为数值例子,研究了流体饱和粘弹性多孔柱体的一维动力响应,数值结果揭示了流体饱和粘弹性多孔柱体中波的传播特性以及固相粘性的影响.     

饱和土地基在简谐荷载作用下的解析分析

基于多孔介质混合物理论,用解析的方法研究了不可压饱和土地基受到简谐荷载作用下的动力响应问题。利用Fourier积分变换求解耦合方程组,得到了二维饱和土介质在简谐荷载作用下的通解。针对表面透水的具有下卧基岩的饱和土层以及半无限饱和土地基的边界条件,获得了固体骨架位移、孔隙流体位移、固体骨架有效应力以及孔隙流体压力的积分形式解答,并通过数值算例分析了饱和土地基在简谐荷载作用下的响应。     

A 2.5-D dynamic model for a saturated porous medium: Part I. Green’s function

Based on Biot’s theory, the dynamic 2.5-D Green’s function for a saturated porous medium is obtained using the Fourier transform and the potential decomposition methods. The 2.5-D Green’s function corresponds to the solutions for the following two problems: the point force applied to the solid skeleton, and the dilatation source applied within the pore fluid. By performing the Fourier transform on the governing equations for the 3-D Green’s function, the governing differential equations for the two parts of the 2.5-D Green’s function are established and then solved to obtain the dynamic 2.5-D Green’s function. The derived 2.5-D Green’s function for saturated porous media is verified through comparison with the existing solution for 2.5-D Green’s function for the elastodynamic case and the closed-form 3-D Green’s function for saturated porous media. It is further demonstrated that a simple form 2-D Green’s function for saturated porous media can be been obtained using the potential decomposition method.     

欧拉描述的大变形固结理论

以往大变形固结理论主要基于一般的固体力学模型，其控制方程忽视了固结过程中排水引起 的质量变化. 提出饱和土的连续介质模型，并基于连续介质力学的公理体系推导了反映质量 变化的欧拉描述的大变形固结控制方程. 发现传统固结理论中：(1)忽视了渗流速度对土体平衡条件的影响；(2)决定土体平衡的总应力张量只有在土体变形速度和渗流速度方向相同时才具有对称性等. 在忽略变质量效应等条件下，传统理论成为本文理论的特例. 通过算例 的有限元分析，比较了欧拉描述与两种物质描述方法的差别，得到初步结论：(1)欧拉描述 方法计算的地基沉降量要小于物质描述方法的结果；(2)欧拉描述方法计算的侧向位移偏大 于两种物质描述结果.     

ONSET CONDITION OF STRAIN LOCALIZATION IN MATRIX OF SATURATED POROUS MEDIA

Introduction Strainlocalizationofgeomaterialsisoneofmostpopularfailuretypesinnature,which canbeshowedaslandslidesandmudflowsinmountainousareasunderincessantorheavy raining,especiallythevegetationisseverelydamagedbywoodsharvest;pipingeffect,a typeoflocalfa…