【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及流固耦合数值仿真，尤其涉及一种地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法。
技术介绍
1、以饱水的软弱粘土沉积为主的地区称为软土地区，软土包括饱水的软弱黏土和淤泥。沿海、沿湖、沿河地带一般都有广泛的软土分布，在软土地基上修建公路时，容易产生路堤失稳或沉降过大等问题；在强降雨天气下，长时间的雨水冲刷也会导致路基积水，从而降低路基的使用强度，当路基承受范围下降时就有可能会出现路面下降，坍塌等事故。为此，深入了解地表水与软土路基耦合作用对道路修建的指导以及灾害的预防都有着重要的显示意义。现有研究中，主要侧重于道路表面水深的测量，较少关注渗透水对路面结构稳定性的深远影响，忽略了长期渗透水的累积可能导致路基软化、路面下沉，甚至引发路基坍塌等严重安全隐患；而且现有技术一般需要大量材料以及专用实验设备的直接实验，采集大量数据，耗费大量的资金和人力资源，且现有的监测设备（如激光雷达、水位传感器、视频监控）虽然能够获取道路表面水深及分布情况，但对地下渗透水的数据难以直接获取，除非通过破坏性地面开挖进行测量，但进一步破坏了软土路基。因此，开发一种地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法至关重要。
技术实现思路
1、（一）要解决的技术问题
2、基于上述问题，本专利技术提供一种地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，解决根据地表水与软土路基耦合作用进行稳定性判断存在难度、耗费大量资源的问题。
3、（二）技术方案
4、基于上述的技术问题，本
5、s1、设置仿真时间 t和时间步长δ t，当前时刻 t初始为0，将采集的地表水的水位平均高度 h0和水面速度 v，以及路基土壤的物理性质参数输入仿真模型，所述路基土壤的物理性质参数包括：柔性植被的lame常数 μ s和 λ s、约束的单位存储系数 c0、渗透率张量 κ、地基密度 ρ p以及beavers-joseph条件系数 α bj；
6、s2、建立地表水与土壤的耦合作用方程；
7、s21、根据流体的粘性力、压力梯度与体积力符合动量守恒定律，以及流体的流入与流出符合质量守恒定律，构建包含边界条件的stokes方程描述地表水的运动；
8、s22、将土壤作为多孔弹性模型，根据多孔弹性模型的弹性方程，以及多孔弹性介质体积的变化速率等于渗流体速度的散度、饱和土中水的渗流速度与压力梯度之间的线性关系的质量守恒定律，结合所述路基土壤的物理性质参数，构建biot方程描述土壤；
9、s3、构造robin边界条件，通过拉格朗日-欧拉方法将所述耦合系统重构并解耦；
10、 s4、判断当前时刻 t是否大于等于设置的仿真时间 t，若是，则仿真结束，进入步骤s5，否则， t= t+δ t，返回步骤s3；
11、s5、结束仿真，输出路基的形变位移、渗透流压力和渗透流速度 u p，用于判断路基的稳定性。
12、进一步的，s3中，对于所述robin条件，在时间上进行离散，对所述耦合系统使用向后欧拉离散，在每个时刻得到以下离散系统：
13、得到的重构的biot方程：
14、
15、
16、
17、
18、
19、
20、所述拉格朗日-欧拉方法的方程包括：
21、
22、
23、
24、得到的重构的stokes方程：
25、
26、
27、
28、其中，为ale映射， ω f为ale速度，所有上角标 n+1表示第 n+1步的量，所有上角标 n表示第 n步的量。
29、进一步的，s5中，所述路基的稳定性计算公式为：
30、
31、其中，s为稳定性评分，a、b、c分别为形变位移、渗透流压力和渗透流速的权重系数，分别为形变位移、渗透流压力和渗透流速度的最大允许值；稳定性评分越高，路基的稳定性越差。
32、进一步的，所述稳定性评分若超过设定的稳定性评分阈值，则路基需要进行加固或修复。
33、进一步的，s5中，还输出流体速度 u f和流体压强 p f。
34、进一步的，s3中，所述l1、l2、l3的范围为500~2000。
35、（三）有益效果
36、本专利技术的上述技术方案具有如下优点：
37、（1）本专利技术通过数值仿真模拟地表水渗透与软土路基土壤之间的相互耦合作用，并输出路基稳定性相关的形变位移、渗透流压力和渗透流速度，分析渗透水对路基结构稳定性的影响，为道路设计、施工优化及灾害预防提供科学指导与决策支持，对于保障道路安全和延长道路使用寿命具有重要的现实意义；且本专利技术只需要获取简单易取的地表水的水位平均高度和水面速度，使用计算机仿真模拟即可工作，数据获取简单方便，降低了根据地表水与软土路基耦合作用进行稳定性判断的难度，节约了设备成本和人力成本；
38、（2）本专利技术通过拉格朗日-欧拉方法的流体-弹性路基解耦，使得本专利技术建立的耦合系统在时间上进行离散解耦，克服了根据耦合系统解耦的难点。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，所述Stokes方程包括：
3.根据权利要求2所述的地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，所述Biot方程包括：
4.根据权利要求3所述的地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，所述耦合系统包括：
5.根据权利要求4所述的地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，S3中，所述Robin边界条件包括：
6.根据权利要求5所述的地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，S3中，对于所述Robin边界条件，在时间上进行离散，对所述耦合系统使用向后欧拉离散，在每个时刻得到以下离散系统：
7.根据权利要求1所述的地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，S5中，所述路基的稳定性的计算公式为：
8.根据权利要求7所述的地表水与软土路基土壤耦合的流固耦
9.根据权利要求1所述的地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，S5中，还输出流体速度uf和流体压强pf。
10.根据权利要求5所述的地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，S3中，所述L1、L2、L3的范围为500~2000。
...【技术特征摘要】
1.一种地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，所述stokes方程包括：
3.根据权利要求2所述的地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，所述biot方程包括：
4.根据权利要求3所述的地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，所述耦合系统包括：
5.根据权利要求4所述的地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，s3中，所述robin边界条件包括：
6.根据权利要求5所述的地表水与软土路基土壤耦合的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，s3中，对于所述r...
【专利技术属性】
技术研发人员：曾渭贤，郭世涵，汤灏，朱先迪，王飞龙，
申请(专利权)人：湖南省计量检测研究院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。