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专利号: 2024113682587
申请人: 同济大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-04-09
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种考虑孔隙率影响的黄土边坡的多场耦合分析方法,包括如下的步骤:步骤S1:有限元软件几何建模;

步骤S2:建立与孔隙率相关的本构模型;

建立固相,及液相与气相,将孔隙率与弹性模量、粘聚力、固有渗透系数相耦合;包括如下:

1)固相;

针对非均质黄土边坡进行力学分析,所考虑的总应变率 分为两部分:弹性()和塑性( );

对于弹性部分, 是弹性刚度矩阵, 是弹性模量, 是泊松比;

对于塑性部分,  是屈服面,  是塑性势, 是流动性, 是应力功率, 是有效应力;

弹性本构是采用具有杨氏模量和泊松比的标准线弹性模型,且弹性模量 随孔隙率变化:;

式中: 为参考弹性模量, 为孔隙率, 为弹性模量参考孔隙率;

塑性本构采用的是改进的Mohr‑Coulomb模型: ;

式中: 是摩擦角, 是剪胀角, 是塑性势参数, 、 、 分别是有效平均应力、偏应力和罗德角;

同时,考虑孔隙率对粘聚力的影响:;

式中:为粘聚力, 、 为粘聚力参数, 为粘聚力参考孔隙率;

2)液相与气相;

用Van‑Genuchten模型作为持水曲线来描述黄土的吸力变化,其具体表达式为:;

式中: 为实际含水率; 为残余含水率,即土体中含水率的最小值; 为最大含水率,等于土体饱和时的含水率; 为当前含水率; 为孔隙气压, 为孔隙水压,二者的差值就是基质吸力; 为持水曲线的形状控制参数,只与对应的土体相关; 则是土体的进气值,表达式如下:;

式中: 为 温度下对应的进气值; 为表面张力; 为孔隙率, 为参考孔隙率; 、为相关参数;

达西定律被用来表征液相通量 与气相通量 ,具体表达式为:;

其中: 是固有渗透率; 是相对渗透率; 是黏度; 是两点之间的孔隙水压梯度; 为液体的密度; 是重力加速度矢量; 时,所有参数表示液相参数,当  时,所有参数表示气相参数;

采用固有渗透率的指数定律: ;

其中:  为渗透率参考孔隙率, 是对应的固有渗透率;

液相的相对渗透率 和气相的相对渗透率 定义如下:;

所使用的本构模型考虑了孔隙率的影响,将孔隙率与弹性模量、粘聚力、固有渗透系数相耦合;

步骤S3:引入孔隙率随机场和引入大气边界条件;

步骤S31:引入孔隙率随机场表征黄土边坡非均质特性;

空间相关的非均质孔隙度场的生成,并遵循地质统计学理论的半变差函数关系:;

其中, 为块金值; 为基台值; 为相关联的范围; 为两互相影响元素的距离;

进一步转化为空间问题,在二阶平稳性条件下获得空间恒定的均值和方差,其协方差函数和半变差函数之间的关系为 ,得到:;

生成一个孔隙率平均值为 ,协方差为 的孔隙率随机场,其均值和协方差公式为:;

向量 做出以下改变,来有效表征空间各向异性:;

; ; ;

其中, 、 和 分别是 对应在轴x、y和z的相应范围; 、 、 是向量   的坐标; 、 、 是原始坐标; 、 、 分别是原坐标轴x、y和z旋转至现坐标轴的所转动的角度;

步骤S32:引入大气边界条件模拟复杂的土壤‑大气相互作用;

步骤S4:改进的强度折减法求边坡安全系数;

采用强度折减法来求边坡安全系数,折减系数 的定义为当前实际强度参数值( 、)与折减后强度( 、 )之比,相关参数的关系:;

式中:和 分别为岩土材料的粘聚力和内摩擦角;

将塑性剪切带贯穿作为边坡失稳的判据,计算黄土边坡的安全系数;

步骤S5:得到安全系数。

2.一种计算机系统,包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序,其特征在于:所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1所述多场耦合分析方法的步骤。