非等温条件下土体固结变形及溶质运移规律分析

为探究非等温条件下黏土垫层固结变形及溶质运移规律,将综合考虑力学固结、化学-渗透固结及热固结影响的热-水-力-化(THMC)全耦合模型与水-力-化(HMC)耦合模型进行对比分析,研究了温度差对孔隙水压力、土体变形及溶质运移进程的影响.结果 表明,垫层上下边界温度差可加快负孔隙水压力消散,增大土体沉降峰值及回弹量,提高溶质运移速率.随着黏土垫层上下边界温度差的增加,温度差对孔隙水压力、土体变形及溶质运移进程的影响程度进一步加大.当模拟时间为50 a,温度差为40℃时,与HMC模型相比,THMC模型所对应的负孔隙水压力峰值减小42％,土体沉降回弹量扩大5.4倍,溶质击穿时间缩短11.4 a.该研究可为填埋场防渗垫层设计及服役性能评估提供参考.     

基于热-水-力数值模拟的饱和正常固结黏土热压缩现象

既有饱和正常固结土体加热试验研究表明，温度升高时，土体的体积变化表现为体积收缩，这与热胀冷缩基本通识相违背。针对这一问题，通过热-水-力（THM）完全耦合有限元程序对饱和正常固结黏土的加热试验进行了数值模拟。结果表明，由于黏土的热传导系数及渗透系数都比较低，在升温过程中，试样内部会形成温度差，进而产生超孔隙水压，随着超孔隙水压的消散，最终使土体表现为热压缩现象。当增大土体的渗透系数时，土体内部不产生超孔隙水压，这时土体表现为热膨胀。因此，饱和正常固结土体升温引起的热压缩现象并非土体基本力学特性，而是一个边界值问题。     

软土垫层中固结-扩散-吸附耦合的污染物运移模型

目的定量研究土体固结作用对污染物通过软黏土衬垫运移的影响规律,解决固结过程伴随孔隙水压力的消散会引起污染物的对流运移问题.方法建立不同边界条件下考虑土体固结、扩散和吸附耦合作用的污染物一维运移模型,并获得解析解;在此基础上,通过算例分析某在建填埋场黏土垫层在四种工况下的污染物运移规律.结果在不考虑固相影响和工况1条件(上边界质量浓度连续和下边界污染物质量浓度为零)下,考虑孔隙率变化与不考虑孔隙率变化相比,黏土垫层中多出33%的污染物通量进入到含水层;工况3条件(上边界通量连续和下边界污染物质量浓度为零)下,考虑孔隙率变化的上边界污染物质量浓度是未考虑孔隙率变化情况下的1.46倍,而通量则是其2倍.通过参数分析,在工况1下,较大的渗透系数提高了在不同土层深度上的污染物质量浓度,在z=1 m处渗透系数取1.59×10-9m/s比渗透系数取3.17×10-12m/s时污染物质量浓度多出33%.结论该解析模型相对简单,可用于复杂数值方法的验证和试验数据的拟合以及黏土衬垫的初步设计等.     

不同颗粒级配透明黏土的固结与渗透特性

为可视化研究黏土固结过程中的内部变形,需要制配与黏性土固结特性变化规律相似的透明黏土.选用无定形硅粉与白矿物油和正十二烷混合液制配出能够模拟黏性土固结的透明黏土,并对不同颗粒级配下的透明黏土进行了渗透试验和压缩固结试验.研究结果表明:透明黏土的e-lgk,C_v-p,E_s-p曲线变化规律与天然黏土相似;并且土体的黏粒含量越高,渗透系数越小,固结系数越小,压缩性越高.透明黏土在固结与渗透变化规律方面与天然黏土的这种相似性,说明了透明黏土用于定性模拟天然黏土固结变形的可行性.     

考虑流变效应的软黏土地基大应变固结研究

软黏土压缩性高,在固结过程中变形较大时需要考虑大应变的影响.同时,软黏土具有明显的流变效应,对地基的长期沉降有着重要影响.为此,基于通用有限元软件ABAQUS平台编制土体流变模型UMAT子程序,进行软黏土地基大应变流变固结分析.比较大应变与小应变固结过程中超静孔压消散与沉降发展的差别,并分析模型参数对计算结果的影响.采用半对数经验公式考虑渗透系数随孔隙比的变化,分析渗透指数对固结过程的影响.研究结果表明:大应变固结最终沉降比小应变小,超静孔压消散比小应变快;土体固结对模型中Hooke体弹性模量的变化比Kelvin体弹性模量变化敏感;随着渗透指数的增大,土体固结速率增大.     

一维溶质运移的参数研究

提出了有关超孔隙水压耗散对粘土中一维溶液对流-扩散溶质运移的影响的计算公式,该公式考虑了固结速率、膨胀速率、超孔隙水压力、吸出耗散等对非线性对流运移影响.并且论述了超孔隙水压力造成的耗散、外部荷载引起的吸出以及水头梯度的对土体体积变形影响,还着重探讨了有关溶质运移过程中固结、膨胀造成的水头、运移速度的不稳定变化的影响因素.     

考虑温度影响的饱和土有效应力原理

热-力耦合是当今岩土工程领域颇为关注的研究课题之一,是涉热岩土工程问题(如能源地下工程、放射性废料处置、输油及热力管道和热法地基处理等)的理论基础。经典土力学中有效应力原理描述了饱和土体在荷载作用下土骨架和孔隙流体之间的压力分布,但针对热-力耦合作用下土骨架及孔隙水之间的压力分布及其变化的研究罕有报道。该文从饱和土体宏观热固结响应出发,结合经典的有效应力原理,分析加热对土骨架和孔隙水的影响,推导考虑温度影响的有效应力和孔隙水压力表达式,建立考虑温度影响的饱和土有效应力原理,探讨不同位移边界和排水边界条件下有效应力和孔隙水压力的分布变化。结果发现:在热-力耦合作用下,土体的总应力、超静孔隙水压力和有效应力均随温度变化而变化;加热引起的温度应力和热孔压随时间变化而变化,影响土体的压缩性和强度,并进一步影响固结压缩过程和压缩量。该研究结果可为热固结理论推导及其他涉热岩土工程问题分析提供技术支撑。     

外荷载作用下的软黏土电渗试验

为改善软土地基的固结排水效果,对联合使用电渗固结与预压排水技术进行了电渗试验。对于不同黏土试样,同时施加恒定的75 kPa外荷载和0～20V外电场,研究在耦合作用时的渗透出流变化。试验结果表明:与仅有外荷载作用相比,在耦合作用下表现为阳极渗透出流量减小、阴极渗透出流量增大、总渗透出流量增大;阳极渗透出流量的变化与电压大小无直接关系;耦合作用能提高饱和黏土的排水速率,特别是在外加电压较高时,电渗固结效果较为明显。     

能源桩热-力学特性模型试验与数值模拟

能源桩是集地源热泵与建筑桩基于一体的建筑节能技术,具有经济、环保和节省地下空间资源等优点,因热-力耦合作用导致其承载性状不同于普通工程桩。基于室内模型试验和数值模拟研究,针对多次温度循环下饱和黏土地基中能源桩热-力响应展开研究,分析了桩周温度场、桩土沉降、桩侧摩阻力的变化,得出如下结论：升温时桩身温度沿深度逐渐减小,土体温度沿径向逐渐降低;降温所引起的桩顶沉降量大于升温的膨胀量,多次温度循环导致桩顶产生不可逆的累积沉降,其累积变形可能会对上部结构的安全造成影响。桩周土由于土体的热固结也发生不同程度的沉降,距离桩身越近沉降越大,且土体沉降速率随循环次数的增加呈逐渐减小趋势,三次循环后B4点沉降达到1.42%D(D为桩直径);温度荷载所引起的侧摩阻力随温度的升高和循环次数的增加而逐渐增大;升温时桩体上部产生负的侧摩阻力,下部产生正的侧摩阻力,降温时恰好相反,工作荷载的作用导致桩身产生负摩阻力的区域逐渐变小,位移零点也逐渐上移。运用COMSOL Multiphysics软件建立三维数值模型可较好地模拟热-力耦合作用下能源桩的承载力特性,数值模拟结果与模型试验结果吻合度较高,为试验设计及工程应用给出建议。     

双荷载共同作用下土体变形影响机理及计算方法

在明确给出化学荷载定义及其表征变量的基础上,考虑力学荷载的共同作用,将土体的变形分为由力学荷载引起的力学固结变形以及由化学荷载引起的化学-渗透固结变形.提出了化学和力学双荷载共同作用下考虑化-力耦合的土体变形计算方法,并从微细观作用机理角度,分析了双荷载作用下土体变形影响机理.推导了宏观孔隙体积变化量的计算公式,在此基础上结合室内渗透试验结果对2种荷载共同作用下土体的变形开展了定量化分析.结果表明,化学物的存在会引起土体发生固结变形,但土体宏观孔隙体积却并非一定减小.由于吸附水解吸到宏观孔隙空间中,也可能造成孔隙通道变宽,孔隙比增大.     

基于多孔介质模型的土壤次生盐渍化过程模拟

运用多孔介质"七场一相变一扩散"模型(简称七场模型),结合多孔介质溶质运移理论,建立了土壤热、湿、气及盐分耦合运移的数学模型.与一般研究溶质运移的模型不同,计算模型中所涉及的变量均在模型内求解,使模型具有较好的封闭性和相对的独立性.通过数值模拟研究了土壤中的盐分上升过程,结果表明模拟盐分上升趋势与实验结果一致,但模拟精度仍有待提高.     

基于EVP模型的饱和黏性土一维流变固结模型

为深入探讨饱和黏土的固结机理,引入弹黏塑性(EVP)本构模型描述土体的流变固结特性,用Hansbo渗流方程描述土体的渗流过程,修正饱和黏土一维固结理论,采用有限差分法进行求解.通过与文献中固结试验结果的对比,证明了EVP本构模型和本计算方法的有效性,并讨论了Hansbo渗流参数和EVP模型参数对流变固结过程的影响.结果表明,饱和黏土的黏滞效应导致靠近不排水面处在流变固结前期出现了孔压升高现象, Hansbo渗流会使该现象更加明显.饱和黏土的黏滞效应和渗流的非达西特性延缓了固结中后期的整体孔压消散和地基沉降.     

非饱和-饱和区域中重金属污染物运移数值模拟

为了定量整体描述非饱和-饱和区域内水流及溶质迁移过程,在基于非饱和流动理论及溶质运移理论基础上,建立了非饱和-饱和区域内水流方程与重金属污染物运移方程耦合的数学模型。采用V-G模型来描述土壤水分特征函数.用Lagrange-Quadratic方法进行求解并给出模拟结果:分析结果表明,在非饱和-饱和区域内的压力水头、饱和度以及污染物阻滞因子等参数均随含水率的变化而改变,这是区别于饱和流的主要特点。     

孔隙比变量一维固结方程解析理论

经典Terzaghi固结理论假定固结沉降与超孔压消散间满足线性耦合关系,通过计算土体应力固结度与土体最终沉降量预测沉降发展过程。由于土体固结沉降与超孔压消散间存在不同步耦合效应,沉降发展快于超孔压消散,应用应力固结度预测土体沉降发展误差较大。以孔隙比变量作为固结方程控制变量,根据孔隙比边界条件求解土体固结沉降过程可以有效避开超孔压消散与土体沉降间的滞后耦合效应。以土体连续方程、达西定律、有效应力原理为基础推导孔隙比变量固结方程及边界条件,研究边界条件、土体自重、初始孔隙比分布、非瞬时加载等对土体固结过程与最终效果的影响,比较应力与应变固结度间差异。研究表明初始条件、土体自重等对孔隙比变量解答有较大影响,引起5%左右误差。     

桩周及下卧土层中超静孔压消散的数值模拟

通过分析单桩成桩后,桩周土体固结渗流的边界条件和初始条件,建立了饱和黏土中单桩桩周及下卧横观各向同性土体的空间轴对称固结问题的定解条件,应用数值理论建立相应定解问题的有限元程序,对桩周及下卧土层中压桩挤土造成的孔压消散的时空变化规律进行模拟研究.结果表明:下卧土层的渗透特性对桩周土体的孔压消散没有明显影响,研究结果对精确分析压桩挤土对桩基础承载力及周围环境影响的时空特点具有理论意义和现实意义.     

波浪荷载作用后软黏土静强度弱化及软基加固研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,针对取自于长江口的海洋原状饱和淤泥质软黏土,在不固结不排水条件下,分别进行了动三轴、45°线耦合以及圆耦合等多种复杂循环剪切试验及循环荷载作用后静三轴试验;通过室内试验模拟堆载预压加固软基,并针对加固后土体进行了上述系列试验.结果表明,对应相同循环剪切次数,双向耦合大于单向...     

土壤中水、热、盐耦合运移的数值模拟

分析了盐分在土壤中的动态迁移特征及其影响因素,综合运用多孔介质热、质传递理论,考虑温度效应对土壤湿分迁移的影响以及不动水体与盐分吸附或解吸作用,建立了全面描述土壤中水、热、盐耦合运移的数学模型并进行相应的数值研究,获得土壤中水、热、盐的动态迁移特性,探讨了土壤质地对盐分运移的影响,以期为土壤次生盐渍的防治提供有效的理论指导.模拟结果表明:盐分运移受土壤质地与结构的影响较大,并与土壤水分运移密切相关.     

考虑渗流应力耦合作用的深基坑开挖变形研究

基于土体渗流应力耦合效应及本构理论,针对某场地地下水埋深较浅、粉质黏土和粘土分布较厚的深基坑工程建立了相应开挖支护三维有限元模型.通过室内试验测定了基坑土体的修正剑桥本构关系参数并将修正剑桥本构关系应用于基坑开挖支护的数值模拟分析中.分别研究了基坑开挖过程中有无渗流-应力耦合效应的基坑整体变形、支护结构位移、坑外地表沉降及坑底回弹情况.研究结果表明:1含水粉质黏土和粘土采用修正剑桥本构关系较合适;2考虑渗流应力耦合作用时基坑支护结构水平位移、坑外地表沉降及坑底回弹量分别是未考虑渗流应力耦合作用时的0.57倍、0.07倍、0.59倍,基坑开挖变形应充分考虑渗流应力耦合作用;3坑底超前降水能显著减小坑底隆起.     

基于热-水-力耦合的电渗排水试验数值模拟

基于多孔介质理论和热力学理论,考虑电渗产生的温度对土体变形及排水性质的影响,建立热-水-力耦合作用下的电渗排水多场耦合数学模型,并利用Fortran语言编制计算程序。在此基础上开展电渗排水现场试验的数值模拟,并与现场监测结果进行对比。研究结果表明:建立的模型可较好地模拟电渗过程中的温度场、渗流场及应力场变化和分布规律。土体温度随能耗增大而升高,尤其对于电极附近土体;阳极周围土体孔隙水压力减小,而阴极周围土体孔隙水压力增大,且考虑温度作用下的电渗流量随电渗的持续而增加;地基沉降由土体温度上升引起。     

多孔介质双分子反应溶质运移实验与模拟研究

多孔介质中化学作用对溶质运移具有重要影响.为了揭示反应性溶质运移机理,保持多孔介质不变,以胺和1,2-萘醌-4-磺酸钠双分子化学反应为例,分别开展了非反应及反应条件下不同流速溶质运移实验和数值模拟研究.主要结论如下:①改进的反应性对流弥散模型能模拟双分子反应中溶质运移行为;模型可行,具有较高的精度;0.4mL/s和0.8mL/s流速下生成物峰值浓度相对误差分别为1.2%及0.8%.②利用对流弥散模型可以评估非反应物运移弥散系数,可为反应性溶质运移弥散系数识别提供技术参考.③随流量增大,模型参数m减小,而β0则增大;此外,同一物质在保持相同流量下,作为反应物出现时,其弥散系数略高于非反应物质的弥散系数,其作用机理有待进一步研究.