饱和土体热-水-力-化全耦合一维溶质运移模型

基于孔隙流体质量守恒、能量守恒和溶质质量守恒,综合考虑力学固结、热固结与化学渗透固结对土体结构的影响,并结合黏土颗粒对溶质吸附、半透膜效应作用及耦合流、耦合扩散效应,建立了单一溶质在饱和土体中运移的热-水-力-化全耦合分析模型,采用COMSOL软件重点模拟了渗滤液环境温度对溶质运移行为的影响.数值结果表明,温度会显著影响溶质浓度随时空的分布,热扩散作用加速溶质运移进程,热渗透与热固结机制对溶质运移具有阻滞作用,模拟时间为50年时黏土垫层上下边界温差70 K比无温差工况溶质运移深度减缓87.6%.所建全耦合模型能够为填埋场防渗隔污屏障优化设计及服役性能评估提供理论参考.     

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。     

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.     

水位循环升降作用下粉土变形及沉降机理

地下水位升降变化是浅层地下水普遍存在现象,常常导致土层结构与土体性质发生变化,从而影响地基土变形与沉降.以洛阳地区粉土为研究对象,通过水位循环升降模拟试验,研究水位循环升降作用下粉土孔隙水压力、土压力周期性变化规律及由此产生的变形沉降特性.试验表明:孔隙水压力周期性变化是导致土体周期性变形的主要原因,两者具有相似的周期性变化规律;孔隙水压力对水位升降表现出瞬时响应,而变形则呈现滞后性.通过机理分析发现,振荡孔隙水压力是土体中饱和-非饱和状态转变的根本原因,而残余孔隙水压力的衰减消散是土层产生固结沉降的驱动力.     

两种边界条件下非饱和土一维固结特性分析

针对工程中存在的表面排气不排水、底面不渗透及表面排水不排气、底面不渗透两种边界条件下的非饱和土层进行一维固结特性研究.基于Fredlund非饱和土一维固结理论,对其固结方程作适当假定,由得到的液相及气相控制方程、Darcy定律及Fick定律,经Laplace变换和Cayley-Hamilton定理构造顶面状态向量与任意深度处状态向量间的传递关系.通过引入边界条件,得到Laplace变换域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力及土层沉降的解.采用Crump方法编制程序实现Laplace逆转换,得到时间域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力、土层沉降的半解析解.采用典型算例,分析在不同气相与液相渗透系数比情况下,土体超孔隙水压力、超孔隙气压力随时间的变化规律,结果对非饱和土体一维固结特性研究具有参考价值.     

基于分段线性化模型的一维流变固结分析

为进一步认识饱和软黏土的黏滞效应对其一维固结过程的影响,引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型来描述其变形的弹黏塑性,从而改进了一维分段线性化(CS2)固结模型.通过与已有研究成果的对比,证明了UH本构模型以及修正后CS2模型的有效性.在此基础上,探讨UH本构模型参数对固结进程的影响.数值分析表明,饱和软黏土的黏滞效应使得靠近不排水面处的土体在加载初期出现了超孔隙水压力升高的现象,随后减缓了加载中后期地基超孔隙水压力的整体消散,增大了地基的沉降量.同时,随着回弹指数和初始超固结参数的增大,上述流变固结特性更加明显.     

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.     

地质系统THMC耦合随机模型研究

热-水-力-化(THMC)耦合作用是岩石流体力学与环境地质中的重要理论课题.设计用实验方法研究温度场-渗流场-应力场-化学场四场耦合效应中热传导系数、渗透率及岩体变形参数的空间变异性表征方法,及块裂岩体的非确定性耦合控制方程,试图建立热-水-力-化耦合作用的随机性数学模型及可视化数值模拟方法,为核废料地质处置安全性评价和地下水资源评价等提供科学的新方法.     

应力状态对土-水特征曲线的影响规律

为系统地探讨不同应力状态对土-水特征曲线的影响,以河南新乡地区的黏土为对象,采用非饱和固结仪与双室三轴仪分别研究K0和等向应力状态对压实黏土的土-水特征曲线的影响规律。试验结果表明:低应力(小于100 kPa)下等向应力状态对土-水特征曲线的影响与K0状态相似,固结后孔隙比不同决定着土-水特征曲线的形状有所差异。土体的空气进入值随着孔隙比的减小而增加,土体进气后,干燥与增湿曲线的斜率随着孔隙比的增加而增大,且孔隙比较大时土体的滞回特性更明显。     

循环荷载下非饱和黏弹性地基一维固结特性分析

采用Fredlund非饱和土一维固结理论,由液相及气相控制方程、Darcy定律及Fick定律,经Laplace变换并采用Cayley-Hamilton数学方法,引入边界及初始条件,得到了单面排水排气条件下任意加荷时有限厚度黏弹性非饱和地基一维固结Laplace变换域内的超孔隙气压力、超孔隙水压力及土层沉降的解.然后,在此基础上引入3种循环荷载,采用Crump及Durbin方法实现Laplace逆变换,得到时间域内超孔隙气压力、超孔隙水压力及土层沉降的半解析解.最后,引用典型算例,进行了相应的固结特性分析.