渗透固结系数的变化对地面沉降计算的影响VIP免费

渗透固结系数的变化对地面沉降计算的影响张炳峰，王国体合肥工业大学，安徽合肥(230009)摘要：通过对经典Biot渗流力学做进一步的考察，讨论了耦合渗流方程的物理意义，在Biot基本方程的基础上，增加一个反映渗流系数和孔隙变化率关系的耦合方程，提出地面沉降过程渗流-应力耦合方程，并进行一定的实例分析和计算。关键词：渗流与应力耦合；地面沉降；固结系数。作者简介：张炳峰，男，1982年生，硕士研究生，现在主要从事岩土渗流方向的研究ThevarietyofpermeabilityconsolidationcoefficientinfluencetheaccountofsettlementZhangBingfeng,WangGuotiHefeiUniversityofTechnology,Hefei,Anhui(230009)Abstract:ByreviewingBiotseepagemechanicstheory,thispaperdiscussedvarietyofperme-changeimpactconsolidationdegreeandtheaccountofsettlement.Accordingtotheequationofthesettlementcount,acouplingequationisaddedtodescribethevarietyofpermeabilityandporosity.Toanalyzetheroad-measuresettlementdataoffuyang,theresultshowtheequationisgoodtoreflecttheprocessofthegroundsettlement.Keywords:couplingofseepage;groundsettlement;consolidationcoefficient1.引言对地下水日益增加的开采，其后果之一是导致地表下降或沉陷。由于地下水开采而导致较大的地面沉降，在高度发达地区是比较常见的。对地面沉降状况及补救办法的事例研究，对于将要面临同样问题的发展中地区是有帮助的。地下水开采引起的地下水压力变化将导致渗流介质体及其相关地质体受力状态的变化，进而导致渗流介质体变形(这方面最为典型的是地下水开采诱发地面沉降)；渗流介质体的变形过程中，其物性参数(孔隙度n、压缩系数ε、渗透系数K等)不再是经典理论中的常量，而是与力学状态有关的变量；如此，渗流问题的研究就必须既要考虑介质体的应力应变，又要考虑渗流特性的变异；这类问题用Biot固结理论能够较好的解决。2.地面沉降过程中渗流与应力耦合模型2.1经典Biot渗流力学耦合方程分析1941年，美国物理学和应用数学家MauriceAnthonyBiot，将Terzaghi有效应力理论推广到了三维空间上的固结问题研究中，并在1942、1954和1956年，将该问题的研究进行了深入和完善，由此建立的Biot孔弹性理论[1]，为流固耦合问题的研究奠定了理论基础。Biot孔弹性理论模型主要有四个基础方程组成：平衡方程(1式)、几何方程(2式)、本构方程(3式和4式)和渗流方程(5式)；在三维空间上，基本方程可写为以下模型。平衡方程：（i,j=1,2,3）（1）几何方程：，（2）本构方程：（3）（4）渗流方程：（5）式中p，为孔隙水压力和孔隙变化量；ρ为体力密度；δ为Kronecker常数；Kij为渗透系数；，，为总应力、有效应力、和总应变；称为孔隙水压力系数，描述土体中不均匀分布在孔隙中的孔隙水压力作用；G，λ为剪切模量和拉梅系数；H，R（Q，）为Biot常数，物理意义为：1/R度量了由于水压力变化引起的水容量变化，1/H度量了由于水压力变化引起的介质整体体积的变化。是水充分排出时，排出的水量与介质体积应变之比，而1/Q是多孔介质体积不变情况下，在水压力作用下挤进多孔介质中水量。Q，R，H，之间的关系为：（6）1/R=1/Q+/H（7）式中E，分别为弹性模量和体积模量。与经典渗流问题的数学模型(基本是拉普拉斯方程、傅里叶热传导方程和二阶非线性抛物型方程[2])相比，耦合渗流模型要相对复杂得多，但它是研究介质变形条件下渗流问题的有效工具。2.2地面沉降过程中渗流与应力耦合模型虽然Biot理论是较完善的耦合理论，并已得到了广泛应用[3-13]；但在Biot理论用于研究渗流问题的初期，并没有考虑到渗透系数k是变量[3-5]。在耦合渗流理论的研究进程中，对孔隙水压力u的变化导致介质变形进而影响渗透系数K(或渗透率)的问题，逐渐受到重视，并成为目前耦合渗流研究的主要发展方向之一，对于K随u值的变化，由于K不是本构方程中的参变量，现在一般是利用K与n的关系K(n)来间接反映,K(n)可以是理论公式[6-7]，也可以是建立经验关系式[8-10]。上述研究，使得P值及其时间变化过程对渗流的影响，可在耦合渗流模型中可得到全面刻画，故我们可以增加一...