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含流体岩土体的流固耦合问题涉及到了地质学和数学上的诸多难题,涉及渗流力学、岩土力学、物理化学、计算数学和岩土工程学等众多学科领域,是目前科学研究的热点之一,其研究不仅具有重要的理论意义,而且在工程中有广泛的实际应用价值。流固耦合研究的核心问题就是耦合模型及其求解问题的研究,所以本文在前人工作的基础上,针对岩土体的具体特点和流固耦合的作用机理,较为系统地研究了岩土体的流固耦合本构模型及其力学参数,为耦合问题的研究和工程应用提供借鉴,其主要研究内容和方法如下:
(1)提出采用宏观连续介质模型分析含流体的岩土体流固耦合问题,引入表征体积单元概念,将实际的岩土介质视为一种理想的连续介质。采用修正的有效应力原理来反映岩石和土体内部的应力分配关系,并以孔隙弹性理论为基础分析岩土体的力学参数耦合问题。
(2)分析了岩土体流固耦合的作用机理,重点分析了水与岩土体之间的力学作用的耦合机理,即:流体压力变化引起岩土体变形;岩土体的变形导致滲透特性和孔隙流体压力的改变,从而影响流体的渗流分布和运动规律。
(3)在修正的有效应力原理基础上建立岩土体的耦合变形方程,以固相质点速度为耦合变量建立耦合的渗流方程,两场的控制方程共同构成了考虑流体和固体骨架变形的流固耦合数学模型。通过控制方程来实现流固耦合效应,并对该模型进行简化分析和对比验证。
(4)深入系统的分析了岩土体力学参数在流固耦合过程中的变化情况,建立了力学参数的耦合关系式,根据所建立的参数耦合关系式,研究如何通过参数的耦合来实现流固耦合效应。对考虑流固耦合作用情况下岩土体的变形进行了简化分析计算,得出在孔隙压力降低的情况下,考虑耦合作用体积应变的值比不考虑耦合作用的值偏小,这一结果与实际情况是相符的。这种通过参数耦合与通过控制方程求解来实现耦合效应的方法是不同的。