岩土水力学耦合过程的数学模型

•本章结束
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四、岩土介质水力学耦合数学模型类型
• • • • • 按照岩土介质空隙结构的不同，可以分以下四 种类型： 1.连续孔隙介质水力学耦合模型 2.等效连续介质水力学耦合模型 3.裂隙网络介质水力学耦合模型 4.双重介质水力学耦合模型
五、岩土介质水力学耦合数学模型的 建立方法
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机理分析法：通过岩土介质与地下水相互力学 作用的机理分析，运用力学和数学手段，建立岩 土介质水力学耦合的数学模型。 • 混合分析法：以机理分析法为基础，结合试验 分析，研究岩土介质的力系机理。 • 系统辨识法：通过测量系统在人为输入作用下 的输出响应，或正常运行时的输入输出数据记录， 加以必要的数据处理和数学计算，估计出系统的 数学模型。
二、岩土介质二次耦合场.2
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多场耦合作用在地球深部尤其重要，如核废料 的深埋处置、地热能的开发、地震的预测、地球 板块运动、二氧化碳深部地质储存、深部油气田 的开发等，要考虑温度场、地应力场、渗流场和 地球生物化学场的耦合作用。对于高寒地区，要 考虑温度的冻融过程和水的固液气相变作用下的 岩土变形与渗流耦合作用。在岩盐和岩溶地区， 要考虑溶蚀作用对岩土体结构的改变作用，因此 要考虑应力场、渗流场和化学动力场的耦合作用。
岩土介质中常见的各种耦合关系
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5.岩土介质热—力过程耦合关系，该过程耦合 关系主要研究岩土介质温度与应力应变关系。在 高寒地区，低温冻结会使土体强度增大，使土体 产生冻胀变形。低温冻结岩体会使岩体裂隙扩大， 在融化期间增大岩体裂隙宽度，使岩体变形加大； 在深部的高温作用会使岩土 力学性质发生变化-脆性减小、延性增大。
岩土介质中常见的各种耦合关系
• • 6.岩土介质水—热—力过程耦合关系，该关系主 要研究通过岩土介质的地下水流与变化的温度场 和岩土介质变形过程三者的相互耦合关系。
岩土介质中常见的各种耦合关系
7.岩土介质水—力学—生物过程耦合关系，也 称为岩土介质渗流与应力耦合关系。该过程耦合 关系主要研究岩土介质内流体、微生物和岩土力 学变形之间的耦合关系、耦合机理和耦合模型。 • 目前，在岩土工程中，利用微生物在岩土介质 中生长淤堵作用，来进行“生物帷幕灌浆”，生 成防水帷幕，已形成了生物岩土工程学。 •
岩土介质中常见的各种耦合关系
• 1.岩土介质水—力耦合关系，也称为岩土介质 渗流与应力耦合关系。该耦合关系主要研究天然 应力场和人工干扰应力场叠加作用对岩土介质中 渗透空隙性、渗透性的影响，以及应力应变梯度 会驱动流体运动，从而影响岩土介质的渗流场分 布；渗流场对岩土介质施加空隙静水压力和动水 压力，从而改变岩土介质的应力应变场。
岩土介质中常见的各种耦合关系
• 4.岩土介质水—地球生物过程耦合关系，该过 程耦合关系主要研究岩土介质渗流与生物相互作 用关系。岩土介质中的生物作用主要是微生物作 用，微生物的克隆、生物膜、微生物代谢物、产 生气体及矿化作用等会使岩土介质的孔隙堵塞或 淤堵，这一过程称为生物淤堵，其结果使岩土介 质孔隙率减小、渗透系数降低、水动力弥散系数 增大。另外，在渗流系统中生物浓度梯度也会驱 动水流运动。 渗流作用也会影响微生物的种群 和生长。
一、岩土介质天然耦合场
• 岩土介质天然耦合场是一种地球系统耦合场， 它是一种动态过程比较慢的过程，时间尺度比较 长。自然界的诸多过程，都是一种复杂的耦合过 程，地球上正是由于这种复杂的动态耦合过程， 才使得地球充满生机和活力。因此说，我们在研 究岩土介质水力学问题时，一定要重视天然耦合 场的研究，这是我们分析和预测人类工程活动引 起的岩土水力学问题的基础。
岩土介质中常见的各种耦合关系
• 2.岩土介质水—热耦合关系，也称为岩土介质 渗流与温度之间的过程耦合关系。该过程耦合关 系主要研究温度变化对岩土介质中流体流动性质 如流体动力黏滞系数和密度的影响，以及温度梯 度会驱动流体运动，从而导致渗流速度变化。对 于高寒地区，冻结过程使岩土介质中流体流动性 减小；融化过程使岩土介质中流体流动性增强； 对于热带地区，高温使得岩土介质中流体流动性 增强。岩土介质中渗流的热对流和热传导作用， 会改变热场。
岩土介质中常见的各种耦合关系
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10.岩土介质水—热—力—生物过程耦合关系， 该过程耦合关系主要研究岩土介质温度、渗流、 变形与生物过程耦合关系。
四、岩土介质水力学耦合数学模型类型
• 数学模型的类型很多，根据目前岩土水力学研 究所用的数学模型，可以分为两种： 岩土介质集中参数型耦合模型 岩土介质分布参数型耦合模型
岩土介质中常见的各种耦合关系
• 8.岩土介质水—力—化学过程耦合关系，该过 程耦合关系主要研究岩土介质中流体渗流场、应 力应变场和化学场之间的相互作用过程和耦合模 型。
岩土介质中常见的各种耦合关系
• 9.岩土介质水—热—力—化学过程耦合关系， 该过程耦合关系主要研究岩土介质渗流场、温度 场、应力应变场和化学场之间的相互作用机理、 作用过程以及耦合数学模型计算方法。
二、岩土介质二次耦合场.1
• 在人类活动作用下，天然耦合场要发生变化， 即出现力场和环境的重调整，这一调整过程改变 了原有的力学状况和生物地球化学及渗流环境， 形成岩土介质二次耦合场。在人类工程和天然耦 合场的共同作用下，地质环境会发生变化，要考 虑变化环境下工程的稳定性、安全性以及对地质 环境的友好性，依此 来设计和施工。
二、岩土介质二次耦合场.3
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岩土体系统内的应力和地下流体的相互作用， 应力岩土体的空隙结构，改变地下流体的运移通 道，这就是岩土体系统内应力场对渗流场的影响； 另一方面，岩土体系统内地下流体的存在，地下 流体通过物理作用、化学作用和力学作用等也改 变岩土体的结构，施加给岩土体以静水压力和动 水压力，这就是岩土体系统内渗流场对应力场的 影响。在一定时期内，多场Biblioteka Baidu加作用使岩土体处 于一种动平衡状态。
岩土介质中常见的各种耦合关系
3.岩土介质水—地球化学过程耦合关系，主要 研究岩土介质中渗流与具有化学反应的溶质运移 耦合关系，也称为水流—溶质运移—化学反应耦 合关系。具有化学反应的溶质运移对岩土介质渗 流的影响主要有三个方面：a.化学淤堵或堵塞；b. 吸附作用或溶解水解作用，即水—岩相互作用； c.溶质浓度梯度会驱动岩土介质水流运动。 • 渗流作用对具有化学反应的溶质运移的影响 主要表现在两个方面： • a.渗流的不同区域的影响；b.深度不同区域影响 •
岩土水力学
岩土水力学耦合过程的数学模型
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岩土介质水力学耦合过程是一种复 杂的多场耦合过程，在天然条件下就 存在着这样的多场耦合过程。在人类 活动作用下，使得天然耦合过程进行 调整，形成新的耦合场，这个二次耦 合场又是一种动态的耦合场。
一、岩土介质天然耦合场
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岩土介质既是一种复杂的地质材料，又是处于 一定地质环境之中的地质体。天然环境下的岩土 介质水力学问题，就是一种复杂的多组分、多相 流、多过程和多场耦合系统。在天然地质环境中， 存在着多场耦合问题，如地应力场、温度场、渗 流场、地球生物场、地球化学场、地球电场、地 球磁场等。地应力场包括自重应力和构造应力， 这两种应力构成了天然应力场。没有人类工程扰 动获得的岩土水力学参数，都是天然多场耦合作 用下的岩土水力学参数。
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研究岩土体系统内多场耦合的水力 学问题，是岩土水力学的一项重要课 题，而岩土介质 水—热—力—化学— 生物耦合的数学模型研究，是定量化 研究岩土体与地下流体力学相互作用 的手段。
三、岩土介质耦合过程
• 耦合过程是指两个过程相互的作用，一个过程 影响另一个过程的开始和发展。如滑坡体内地下 水与岩土体变形过程的耦合，渗透力和坡体应力 作用使坡体蠕变；坡体变形改变渗流通道，影响 渗流；渗透力的变化过程又影响坡体变形，如果 坡体瞬间变形时的渗透过水断面趋近于零时，渗 透压力趋近于无穷大，最终导致滑坡发生。 • 由渗流达西定律，渗透水压力差为：