非饱和土的流固耦合理论及在隧道工程中的应用

非饱和土的流固耦合理论及在隧道工程中的应用主要研究对象是地铁隧道施工过程中对原有地下水渗流场与应力场平衡状态的破坏，及其所引发的工程安全问题和环境影响。文章首先指出了地下水在地下工程施工中的重要性，既是介质，也是工程与环境相互作用的媒介和载体。然而，传统的力学模型往往忽视了地下水的赋存和渗流状态对工程安全和环境的影响，特别是在地铁隧道施工中，目前常用的浅埋暗挖法和盾构法都存在不足之处。浅埋暗挖法在实施降水后往往不再考虑地下水的影响，而盾构法则可能将岩土体简化为饱和土处理，两者均没有考虑到非饱和土吸湿和干湿过程变化的影响以及由此引起的孔隙压力场的改变。非饱和土与饱和土的本质区别在于非饱和土中存在基质吸力，而基质吸力的量测技术难度很大，是非饱和土工程应用中的一个主要障碍。 在流固耦合理论的数学模型部分，文章强调了流固耦合概念的重要性，其中“流”代表了流体，包括水和空气；“固”代表了土体，即多孔的岩土介质。耦合是指流体流动与土结构平衡条件之间的相互作用，体现为应力场与渗流场方程的解。流固耦合理论自上世纪50年代起，经过了数十年的发展和完善，目前已有研究多基于饱和流固耦合理论，而针对非饱和土的流固耦合理论研究则相对较少。非饱和土的流固耦合数学模型包括了应力场控制方程、渗流场控制方程以及相应的边界条件和初始条件。 文章中提到的基质吸力是研究非饱和土工程性质的重要参数，它代表了土体内部由于含水量变化而产生的负压力。基质吸力的测量技术难度大，是研究与应用非饱和土时的主要难点之一。基质吸力的存在，使得非饱和土与饱和土在工程性质上有着显著差异，特别是在土体的变形与强度特性方面。 在非饱和土流固耦合的研究中，作者通过试验确定了基质吸力与含水量的关系，并将试验成果应用于数值计算中。研究结果表明，采用所提出的计算方法获得的结果与工程实测曲线吻合较好，验证了该方法在解决地铁隧道施工所引发的地面沉降问题中的有效性。 文章还介绍了平衡方程的概念，该方程描述了非饱和土中应力与变形状态变量（包括法向应变、剪应变、法向应力和切向应力）的关系，同时考虑了孔隙气压力和孔隙水压力的作用。基于虚位移原理，作者建立了有限元平衡方程，并进行了求解，以获取非饱和土在不同工况下的应力与变形状态。 本文的研究成果对于理解和解决地铁隧道施工过程中遇到的地面沉降问题具有重要意义，提供了非饱和土流固耦合理论在实际工程中的应用案例，对于提升地下工程的安全性和环境友好性提供了科学依据和技术支撑。