流固耦合的数值模型及工程应用

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1、第32卷增2岩石力学与工程学报Vol.32Supp.22013年7月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJuly，2013饱和多孔介质流–固耦合的数值模型及工程应用11112陈武，裴万胜，李双洋，张明义，晋霞(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃兰州730000；2.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070)摘要：基于计算流体力学和岩土力学，考虑渗流场和应力场的相互作用，推导介质的平衡方程和饱和孔隙流体的连续性方程，建立流–固耦合模型。结合Galerkin法

2、，对平衡方程进行有限元离散，同时，采用向后差分格式和二阶精度Warming-Beam差分格式，对连续性方程进行有限差分离散，从而对模型进行数值求解。最后，以一富水双向隧道为例，进行施工数值仿真，得到不同施工阶段隧道围岩的孔隙水压力、位移场、应力场的分布及其支护锚杆的受力特性，并将计算结果与相关现场监测得到的一般性规律进行对比，为类似隧道工程的设计和施工提供参考。关键词：渗流力学；渗流场；应力场；流固耦合；隧道施工；工程应用中图分类号：O35文献标识码：A文章编号：1000–6915(2013)增2–3346–09NUME

3、RICALSIMULATIONANDENGINEERINGAPPLICATIONOFSOLID-FLUIDCOUPLEDMODELFORSATURATEDPOROUSMEDIA11112CHENWu，PEIWansheng，LIShuangyang，ZHANGMingyi，JINXia(1.ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute，ChineseAcademyofSciences，Lanzhou，Gansu730000，China；2.S

4、choolofCivilEngineering，LanzhouJiaotongUniversity，Lanzhou，Gansu730070，China)Abstract：Basedonthetheoryofcomputationalfluidmechanicsandgeotechnicalmechanics，equilibriumequationofmediaandcontinuityequationofinterstitialfluidarederivedwiththeconsiderationofinteractio

5、nofseepageandstressfield.Numericalmethodsofsolvingtheproposedequationsaswellasboundaryconditionsareputforward.CombinedwithGalerkinway，finiteelementmethodisemployedtodisperseequilibriumequation，whilefinitemethodisappliedtothediscretizationofcontinuityequation.That

6、isthebackwarddifferentiationformulaandtwoorderaccuracywarming-beamformula.Then，awater-richbi-directionaltunnelistakenasanexample，distributionofporepressure，displacement，stressandmechanicalbehaviorofanchorageindifferentconstructionstagesareanalyzed.Finally，numeric

7、alresultsarecomparedwiththeconclusionofrelatedfieldmonitoring.Thestudyresultscouldprovideguidanceforthedesignandconstructionofsimilartunnelprojects.Keywords：seepagemechanics；seepagefield；stressfield；fluid-solidcoupling；tunnelconstruction；engineeringapplication中，各

8、场之间相互作用，是流–固耦合(HM)问题。1引言岩土体介质变形场的改变影响其孔隙度，由此引起介质渗透性的变化。根据有效应力原理，孔隙流体岩土体一般处于应力场和渗流场等复杂环境压力的变化会影响应力场的分布。同时，孔隙流体收稿日期：2012–07–19；修回日期：2013–01–01基金项目：国家自然科学基金资助项目(4