第1章 绪论 1
1.1 选题依据和研究意义 1
1.2 国内外研究现状 4
1.2.1 非饱和土水力耦合机理研究 4
1.2.2 非饱和土水力耦合本构模型研究 5
1.2.3 非饱和土多场耦合数值模拟研究 12
1.3 需要进一步研究的问题 14
1.4 本文的主要工作 15
第2章 非饱和土固液气水力耦合数学模型 18
2.1 土体细观结构特征 18
2.2 固液气耦合数学模型 20
2.2.1 基本假定 20
2.2.2 质量守恒方程 22
2.2.3 动量守恒方程 26
2.2.4 问题描述 27
2.3 耦合模型的退化形式 28
2.3.1 水力耦合模型 28
2.3.2 水-气两相流模型 29
2.3.3 饱和-非饱和渗流模型 31
2.3.4 非稳定渗流模型 35
第3章 非饱和土弹塑性本构模型与土水特征曲线 44
3.1 考虑颗粒黏结效应的非饱和土弹塑性本构模型 44
3.1.1 颗粒黏结效应 44
3.1.2 加载-湿陷屈服曲线 52
3.1.3 弹塑性本构模型 54
3.1.4 模型验证 58
3.2 考虑变形和滞回效应的土水特征曲线模型 73
3.2.1 土体孔隙分布及其演化 73
3.2.2 考虑变形与滞回的土水特征曲线模型 78
3.2.3 高吸力条件下的土水特征曲线模型 86
3.2.4 模型验证 88
3.3 考虑变形效应的非饱和土渗透特性模型 98
3.3.1 饱和渗透系数模型 98
3.3.2 改进的Mualem统计模型 99
3.3.3 相对渗透系数模型 104
3.3.4 模型验证 105
第4章 非饱和土水力全耦合热力学一致性本构模型 113
4.1 热力学分析 113
4.2 水力全耦合本构模型 117
4.2.1 常吸力各向同性压缩过程 119
4.2.2 常平均净应力主吸湿过程 120
4.3 热力学一致性检验 122
4.3.1 变形过程耗散能 122
4.3.2 毛细滞回耗散能 124
4.3.3 水体流动耗散能 125
4.4 水力全耦合本构模型试验验证 125
4.4.1 模型参数的确定 126
4.4.2 各向同性压缩实验验证 127
4.4.3 干湿循环试验验证 128
4.4.4 剪切试验验证 129
4.4.5 干湿循环和剪切试验验证 131
第5章 非饱和土水力全耦合数值分析方法 135
5.1 固液气耦合数值分析方法 135
5.1.1 等效积分形式 135
5.1.2 有限元离散 139
5.1.3 弹塑性本构积分 144
5.1.4 求解策略与流程 149
5.1.5 砂柱排水算例 151
5.2 水力耦合数值分析方法 158
5.3 饱和-非饱和渗流数值分析方法 159
5.3.1 有限元格式与计算流程 159
5.3.2 算例验证 161
5.4 非稳定渗流数值分析方法 168
5.4.1 有限元计算格式 168
5.4.2 有限元计算流程 172
5.4.3 砂槽排水算例 173
5.4.4 排水砂槽渗流试验 176
第6章 岩土介质固液气耦合模型应用研究 183
6.1 降雨入渗过程中土质边坡水／气渗流-弹性变形耦合分析 183
6.1.1 计算模型 183
6.1.2 结果分析 187
6.2 非饱和土本构关系对水／气渗流-弹塑性变形耦合过程的影响 196
6.2.1 土柱排水 199
6.2.2 土柱入渗 201
6.3 降雨入渗过程中土质边坡水／气渗流-弹塑性变形耦合分析 208
6.3.1 有限元模型 208
6.3.2 结果分析 210
6.3.3 相对渗透特性的变形相关性对耦合过程的影响 219
第7章 结论与展望 226
7.1 主要结论 226
7.2 研究展望 228
附录 与弹塑性本构积分有关的矩阵 230
参考文献 233
致谢 262