岩土水力学耦合过程的数学模型

岩土水力学耦合过程的数学模型岩土水力学•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•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。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。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.2•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。二、岩土介质二次耦合场.3•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，多场叠加作用使岩土体处于一种动平衡状态。•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：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•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•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。岩土介质中常见的各种耦合关系•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•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。岩土介质中常见的各种耦合关系•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•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。•本章结束