[发明专利]软粘土电渗固结的多物理场耦合分析方法

说明书

本发明公开了软粘土电渗固结多物理场耦合分析方法，包括如下步骤：建立土体的多物理场方程组；将上述多物理场方程组中的各方程分别改写成弱形式；对上述弱形式进行离散，获得电渗固结耦合分析的有限元控制方程组并求解。本发明充分考虑各物理场耦合特征，得到更可靠的数值结果和分析结果，从而能够有效指导室内电渗固结模型试验设计。

技术领域

本发明涉及电渗固结分析技术领域，具体涉及软粘土电渗固结非线性分析方法。

背景技术

长三角地区经济发达，该区域广泛分布着软粘土，软粘土具有含水率高、压缩性高、抗剪强度低、渗透系数小等特点，需对其进行必要的人工地基处理以获得较高的地基承载力。电渗固结技术通过在土体内部通过直流电，土体中产生电渗流，通过土体内部排水完成固结，提高土体强度，是一种具有较好应用前景的软土地基处理技术。目前，关于软土电渗固结分析主要以解析法和数值法为主。

解析法通常将土体看作线弹性体，应用简化的一维Esrig电渗固结理论，对土体在固结过程中表现出来的渗透系数、弹性模量随着孔隙比变化考虑不足，而土体的渗透系数、弹性模量对电渗固结沉降计算有着重要的影响，因此该方法不能描述土体内部超静孔隙水压力时空发展规律。

数值法一般采用弹性模型来模拟土体，不能反映土体固结过程中孔隙比的变化对渗透系数、弹性模量等物理量的影响，例如胡黎明、吴伟令、吴辉等提出的软土地基电渗固结理论分析与数值模拟，该方法将土体弹性模量视为常量，夸大了土体排水量，没有计入土体和箱壁之间的摩擦力，最大沉降量位置和试验测试位置有差异。

采用以上分析方法得出的结果与实验结果存在较大误差，不适于指导室内电渗固结模型试验设计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了软粘土电渗固结多物理场耦合分析方法，可以有效地考虑电渗固结过程中，多种物理场的耦合特征，分析结果可靠，能够有效指导室内电渗固结模型试验设计。

为了解决上述技术问题，本发明提供了软粘土电渗固结多物理场耦合分析方法，包括如下步骤：

建立土体的多物理场方程组；

将上述多物理场方程组中的各方程分别改写成弱形式；

对上述弱形式进行离散，获得电渗固结耦合分析的有限元控制方程组并求解。

进一步的，所述多物理场方程组包括应力场的应力平衡方程、渗流场的孔隙水流动连续方程以及电场的电场控制方程。

进一步的，所述应力平衡方程由Biot固结理论和有效应力原理得到。

进一步的，采用伽辽金方法对上述弱形式进行离散，获得电渗固结有限元分析控制方程组，在Matlab上编写程序，进行多物理场耦合分析。

进一步的，所述多物理场耦合分析的步骤包括：

建立分析模型几何形状并导入有限元分析软件；指定区域土体物理参数；确定应力边界条件、排水/不排水边界；确定分析类行为瞬态分析，设定分析起止时间、步长；求解。

进一步的，所述土体物理参数包括初始孔隙比，以及渗透系数、电渗透系数和电导率定义为初始孔隙比的函数的具体形式。

进一步的，所述应力边界条件、排水/不排水边界为：两侧设置横向位移约束，底部设置竖向位移约束，左右两侧还施加弹性基础层；阳极和底部设置为不排水边界，阴极和表面设置为排水边界。

进一步的，所述多物理场方程组是在二维平面条件下建立的。

进一步的，所述多物理场方程组存在边界条件，包括Dirichlet边界条件，即指定边界孔隙水压力、位移，以及Neumann边界条件，即指定边界处流量。

进一步的，所述土体的骨架采用非弹性本构模型。