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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
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2026-04-02
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、内聚率、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;

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Ft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:C和分别为岩土材料的内聚力和摩擦角;

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.根据权利要求1所述的考虑孔隙率影响的黄土边坡的多场耦合分析方法,其特征在于: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基于Davis的研究,并遵循地质统计学理论的半变差函数关系:其中,C0为块金值;C0+C1为台基值;a为相关联的范围;|h|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C(h)=C(0)-γ(h),得到:生成一个孔隙率平均值为μ,协方差为C0+C1的孔隙率随机场,其均值和协方差公式为:E(φ)=μ

Cov(φ)=C0+C1

向量h做出以下改变,来有效表征空间各向异性:其中,ax、ay和az分别是a对应在轴x、y和z的相应范围;xani、yani、Zani是原始坐标;α、β、γ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。

3.根据权利要求1所述的考虑孔隙率影响的黄土边坡的多场耦合分析方法,其特征在于:所述步骤S2建立与孔隙率相关的本构模型,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(dεe/dt)和塑性(dεvp/dt);

对于弹性部分,De是弹性刚度矩阵,E是弹性模量,v是泊松比;

对于塑性部分,Fm是屈服面,G是塑性势,Γ是流动性,m是应力功率;

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E随孔隙率变化:式中:E0为参考弹性模量,φ为孔隙率,φ0E为参考孔隙率;

塑性本构采用的是改进的Mohr-Coulomb模型:式中:是摩擦角,ψ是剪胀角,ω是塑性势参数,p′、q、θ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:

c=(ac+bcs)g(φ);

g(φ)=(f+|f|)/2;

f(φ)=1-(φ/φ0c)n;

式中:c为内聚力,ac、bc为内聚力参数,φ0c为参考孔隙率;

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:Se为实际含水率;Srl为残余含水率,即土体中含水率的最小值;Sls为最大含水率,等于土体饱和时的含水率;S1为当前含水率;Pg为孔隙气压,P1为孔隙水压,二者的差值就是基质吸力;λ为持水曲线的形状控制参数,只与对应的土体相关;P则是土体的进气值,表达式如下:P0(φ)=P0Exp{a(φ-φ0φ0S)};

λ(φ)=λExp{b(φ-φ0S)};

式中:P0为T0温度下对应的进气值;σ为表面张力;φ为孔隙率,φ0S为参考孔隙率;a、b为相关参数;

达西定律被用来表征液相与气相,具体表达式为:其中:k是固有渗透率;krα是相对渗透率;μα是黏度;是两点之间的孔隙水压梯度;ρα为液体的密度;g是重力加速度矢量;

采用固有渗透率的指数定律:

k=k0Exp{bk(φ-φ0k)};

其中:φ0k为参考孔隙率,K0是对应的固有渗透率;

液相和气相的相对渗透率定义如下:

krg=1-krl;

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、内聚率、固有渗透系数相耦合。

4.一种计算机系统,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1-3中任一项所述多场耦合分析方法的步骤。