Abaqus中饱和土体流固耦合问题探讨

在讲述本部分内容之前，先回顾一下关于土体密度的相关基础知识：

上述公式分别为土体天然密度、干密度、含水率、饱和密度、浮密度以及相互之间的关系。

岩土工程中通常认为地下水位以下土体处于饱和状态，即涉及到饱和渗流的问题，典型的就是饱和土的固结问题。孔压通常有两种表示形式，即总孔压或超孔压。超孔压指的是超出静水压力的那部分。abaqus/standard中的流体渗透/应力耦合分析中可以基于总孔压，也可基于超孔压进行分析。当模型的重力载荷采用gravity分布载荷进行定义时，则基于总孔压进行分析；若模型重力通过施加体力来实现，则采用的是超孔压。分析中关心的是载荷引起的超孔压分布及消散，当采用总孔压进行分析，则需通过*initial conditions，type=pore pressure来定义初始总孔压的分布，其中材料的密度应为干密度。流体渗透/应力耦合分析问题中采用的单元具备孔压自由度，其单元类型标识符以字母P结尾表示孔压单元。

饱和土体的流固耦合问题通常采用瞬态分析，进而求解孔压、沉降随时间的变化过程。abaqus/standard采用非对称的刚度矩阵存储和求解方法（当采用MC模型进行分析时同样采用该方法）。

固结计算中一般采用自动时间步长，在该分析步中通常设置UTOL（增量步中允许的孔压变化最大值）和CETOL（若材料模型中不包含蠕变材料特性，则不需设置此项）

进行流固耦合分析过程中，需定义渗透系数，渗透系数的单位应该与分析中的单位相对应，如m/d（天），type（类型）选择各向同性，液体重度（间隙流体比重）通常为9.8，同时还需定义孔隙比；

随着土体的固结沉降，孔隙比在深度方向上是变化的，通常为了简化计算，孔隙比会设置为常数，当然在软件中也可以设置沿深度变化。严格上来说，由于孔隙比的变化，干密度的取值也是变化的。（相关子程序中可以自行定义，这里不再赘述）

子选项中的数值通常在非饱和土体中进行设置

在进行流固耦合分析中，通常需另外设置排水边界，即在土体表面设置零孔压面，区域的选择是结点（node)集合而不是面集合（surf。在非饱和土体中排水面的设置与此不同。

岩土工程分析中，Geostatic分析步通常都是岩土分析的第一步，在该步中，土体受到重力作用，所设置的初始应力应和重力相平衡，且不产生任何位移。然而，对于复杂的模型，模型中存在过大的非线性，可能造成Geostatic步的迭代失败，需要调整初始应力状态，因此，精确的设置初始应力并不容易。在这里，简单讲述一种设置初始应力的方法。通常认为土体中的初始水平有效应力只和z坐标有关和水平位置无关，因此在分析中，水平有效应力由竖向有效应力乘以水平土压力系数得到。相关的关键字语句为：

*initial conditions ,type=stress,geostatic;

关键字stress表明定义的初始应力，而关键字geostatic表明定义随深度线性变化的初始应力，相应的数据行依次为单元号或单元集合名称，起点应力值，对应坐标，终点应力值，对应坐标，x方向的水平土压力系数，y方向的水平土压力系数。cae中设置如图所示：

分析过程中，还应设置初始孔隙比、初始孔隙水压力等

*initial conditions ，type=pore pressure

*initial conditions ，type=ratio

对非饱和土还需定义初始饱和度，若不定义，abaqus默认土体是饱和的，此文章考虑的是饱和土，故不需设置。

土体固结沉降过程中，孔隙比随深度变化，并不是简单的一个常数，当然，孔压和孔隙比均可以沿深度进行变化设置。另外补充一点， abaqus中土体应力已拉为正，而液体以压为正，设置土体应力和孔压的时候注意一下。同时，相关区域的选择也是结点集合。

这里补充一下分析步中的相关设置：假如固结分析步的时间设置为90天，时间长度需设置90，初始增量步要小些，同时最小分析步设置的小一点，防止计算过程中出现不收敛的情况，另外，最大增量步数尽量设置的大一些，防止出现计算没有完成而停止的现象。如果载荷施加的过程并不是瞬时施加的，则需要设置载荷随时间的变化方式。

最后，关于饱和土体的流固耦合问题就讲述到此（流固耦合问题还是蛮难处理的），愿大家尽快掌握流固耦合的相关内容。

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