考虑渗流的有效应力分析

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1. 引言

在岩土工程数值模拟中，有效应力分析和总应力分析之间的选择取决于土类型、渗透性和加载条件。总应力分析(无排水条件)方法用来分析短期加载条件下的细粒土，通常只针对粘性土，使用土的不排水抗剪强度Su进行分析，Su可以通过实验室UU或UC试验获得，也可以通过现场测试如笔式贯入仪直接获得或CPT经验关系回归获得。有效应力分析(排水条件)通常用于粒状土(短期和长期)或长期加载条件下的细粒土。有效应力分析需要通过三轴试验CU或CD获得土的抗剪强度。

对于尾粉土应该使用有效应力分析法。有效应力分析有两种方法可以分析坝体中的浸润面(线)的影响。一种方法是在模型中的单元直接添加孔隙压力分布后进行有效应力分析，另一种方法首先进行地下水流计算以确定浸润线，然后再进行有效应力分析。显然，考虑渗流的有效应力分析更复杂。在过去，已经讨论过使用Seep/W(SEEP3D)和Slide2(Slide3)以及Plaxis的渗流分析，本文简要讨论FLAC2D考虑渗流的有效应力分析方法。

2. 配置流体模型(config fluid)

为了考虑地下水在土体中的流动，从而产生浸润线和孔隙压力分布，必须首先配置流体模型，关闭力学计算，让程序在流体模式下运行【流体在节理中的流动---crack-flow；

3DEC流体-力耦合分析(Coupled hydro-mechanical analysis)】，两个关键命令行如下：

model config fluid model mechanical off

默认情况下，当打开流体模型后，假定初始饱和度是1，既全饱和。然后随着计算的进行，单元会变得不饱和。手册上说将所有的饱和度设置为0也能得出相同的结果，但目前没有进行测试。

3. 计算步骤

(1) 尽管流体模型可以是各向同性的，也可以是各向异性的，但对于土体来说，大多数情况下假定地下水是各向同性的：

zone fluid cmodel assign isotropic

(2) 对于各向同性的流体，最基本的属性值是渗透系数和孔隙比，值得注意的是渗透系数的输入，Itasca软件的渗透系数(permeability coefficient)与水力传导系数(hydraulic conductivity)的概念不同【关于渗透系数 (permeability coefficient)】，孔隙比可使用试验室的测量结果：

zone fluid prop perm 1e-10 poros 0.3

(3) 定义水的密度：

zone water density 1000

(4) 为了使模型尽快达到稳态流状态，设置水的体积模量为一个较低的数值10000。

zone gridpoint initialize fluid-modulus 10000 zone gridpoint initialize fluid-tension 0

(5) 使用model solve 命令并为流体指定求解条件来确定稳定流动状态。当地下水流动比率低于设定值0.001时，就实现了稳态流动。

model solve fluid ratio-flow 1e-3

(6) 一旦产生了孔隙压力，即可打开力学功能，关闭流体计算，并将水的体积模量设定为零，以防止由于力学变形产生孔隙压力：

model mech active onmodel fluid active offzone gridpoint initialize fluid-modulus 0

图中的黄色虚线是计算出来的浸润线，箭头代表流量变化，不同的充填色代表网格点孔隙压力。

来源：计算岩土力学

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首次发布时间：2023-11-26