冻融环境下岩体隧道水热耦合模型及数值分析

针对寒区日益增长的工程需要,以大型寒区岩体隧道工程为背景,基于综合传热传质理论,充分考虑岩体介质双重孔隙的结构特点及水热梯度共同作用下水分的迁移与转化,建立岩体冻融过程水热迁移的理论模型,应用Galerkin法导出了这一问题的有限元公式.并以寒区大阪山隧道出口段k106+025处围岩为对象,在空间域内采用有限元网格划分,而在时间域内用有限差分网格划分的混合解法进行有限元计算,分析温度场和水分场变化规律.模拟结果与现有研究成果和工程经验类似,可验证模型的合理性,并为寒区冻融环境下岩体工程的安全性与稳定性分析提供一定的参考.     

渗流作用下三亚河口通道管幕冻结法温度场数值模拟分析

为得到在渗流作用下管幕冻结法温度场的变化规律,以三亚河口通道海底隧道工程初步设计为例,运用有限元数值模拟软件建立水热耦合模型,假设模型中渗流流向自左向右,通过改变模型中平均渗流速度的大小对冻结帷幕的发展、封闭性、厚度变化等进行分析.结果表明：在冻结期间,随着平均渗流速度的增大,外圈冻土帷幕的形成时间延迟,其向渗流流向偏移的程度增大,且最终稳定的冻土帷幕平均厚度减小;在冻结约14 d后,不同水头差下的冻土帷幕内部渗流速度均降至0 m/d,冻土帷幕在形成的早期受渗流作用的影响较大.鉴于原冻结方案较为保守,提出优化冻结方案：将原冻结方案外圈冻结管减少一半至48根,且调整盐水降温计划实现二次优化.对二次优化结果分有渗流与无渗流两种情形进行讨论,结果得出：优化后在渗流作用下冻土帷幕厚度约5 m,比原方案减少了2 m,既满足冻结设计要求,又提高了经济性.     

多圈管冻结模型试验及水热耦合数学模型研究

根据相似理论推导出人工冻结温度场和水分场模型试验相似准则。以淮南某煤矿风井井筒工程条件为背景,进行了人工多圈管冻结模型试验,获得冻结壁形成过程中,温度场和水分场的变化规律;证实了温度梯度是引起人工正冻土中水分迁移的主要原因,推导了水热耦合控制微分方程。研究结果表明:位于冻结锋面处水分迁移最激烈;在冻结区内水分不发生迁移;冻结壁内部含水量为非均匀,靠近冻结管位置含水量增加,两圈冻结管之间水分迁移量最大,达到7%~10%;内圈冻结管和外圈冻结管含水量增加8%~12%。     

不同渗流速度对新型管幕冻结法温度场影响

为了探究渗流作用对新型管幕冻结法温度场发展与分布规律的影响,利用有限元软件研究不同渗流速度下冻结施工中冻结帷幕的发展规律,通过分析冻结壁的交圈时间与最终厚度,得出如下结论：渗流对冻结帷幕的影响主要体现在冻结施工前期冻结壁未交圈时,以及渗流作用对上游的冻结帷幕影响较下游更显著,导致冻结帷幕产生向下游的偏移;冻结壁交圈后能发挥较好的止水作用,冻结区域内渗流速度几乎为0;渗流对温度场的影响体现在使冻结壁交圈时间推迟与使冻结壁厚度变薄,随着渗流速度增加,冻结帷幕交圈闭合时间延长呈现非线性,可采用指数函数进行拟合;上游与冻结方向平行处冻结壁最薄,冻结帷幕与渗流方向垂直处几乎不受到渗流影响,在渗流速度过大时,冻结帷幕交圈时间会大幅增加,可采用加密上游冻结管的方式减小渗流对冻结区域的影响,分析结果可为后续类似工程提供参考依据.     

饱和水土壤冻结过程中与热管耦合传热的数值分析

根据热管解决土壤冻胀问题，提出并建立了在冻结过程中饱和水土壤与热管耦合传热的数理模型，结合初始条件和边界条件，采用有限差分法以及Ｓｉｍｐｌｅ算法，对模型进行数值求解。数值计算的土壤温度变化规律与实测的试验值相比较，基本吻合且一致性较好。根据模型的计算结果，对热管解决土壤冻胀的作用机理进行了分析。     

岩土介质渗流场与应力场耦合理论的研究进展

综述了岩土介质渗流应力耦合理论研究的现状与进展,从多孔介质与裂隙介质的渗流应力耦合理论出发,阐述了单裂隙面的水流运动规律和耦合特性的研究方法,对裂隙网络耦合理论中几个具有代表意义的渗流模型作了较详细的描述和比较,初步介绍了表征各向异性岩土体耦合特性的渗透张量的确定方法,最后就岩土介质渗流场与应力场耦合理论的发展趋势提出自己的看法.     

粘弹性越流含水层组三维渗流模型的数值解

根据含水层（组）土骨架抽水压密与回灌膨胀力学机制的线性粘弹性应力－应变本构律，建立了关于粘弹性越流含水层组三维渗流模型，应用有限元法及有限差分法求解，得到了该模型的数值解，并应用于工程实践。     

弹塑性非线性渗流耦合问题的一个解析解

在非线性渗流耦合的条件下,研究弹塑性多孔地层中单井抽放问题.建立了问题的基本方程和力学模型;推出了应力和孔隙压力的解析解;得到了确定塑性区半径、弹塑性交界面上的径向应力和孔隙压力的方程;导出了屈服的极限载荷;并进行了实例计算.     

弹性流体一维耦合渗流的计算机代数解

将Ｂｉｏｔ固结理论进一步推广,以适合可变形多孔介质耦合渗流的情况,用计算机代数系统进行符号运算,求得了可变形多孔介质中弹性流体一维定常耦合渗流问题的四阶振动解。结果表明,对于可变形多孔介质,即使是一维定常渗流,介质内部的压力梯度也是非均匀的,传统的确定介质渗透率的试验原理与方法需要改进。     

影响油气运移的应力场温度场渗流场耦合的连续介质模型

分析了岩体地质场、地应力场、地温场、地球化学场以及流体渗流场等对油气运移的影响。结合含油气盆地的演化规律和岩体的结构特征，研究了多孔连续介质体系内流体（包括油、气、水）与岩体相互的力学作用关系。提出了连续介质体系内流体渗流场、岩体地应力场和地温场耦合的非线性动力学模型。     

考虑流固耦合效应的饱和砂土渗透破坏数值模拟

综合考虑水压力梯度力和拖曳力产生的流固耦合效应,建立3维颗粒流(PFC3D )数值模型,从细观角度分析砂土颗粒运动及水压力分布,与理论结果比较以验证数值模型的可行性,并建立实际的饱和砂土渗流模型,模拟超过临界水力梯度后的砂土颗粒运动及赋存状态。结果表明：水流速和颗粒级配对介质颗粒运动的影响较大,颗粒刚度比和摩擦系数的影响相对较小,但较软的颗粒能提高计算效率。该模型可从宏细观角度更准确地反映饱和砂土介质的渗透破坏机理,对实际工程的渗透破坏具有指导作用。     

Thawing and freezing processes of active layer in Wudaoliang region of Tibetan Plateau

The interaction between permafrost and atmosphere is accomplished through transfer of heat and moisture in the overlay active layer. Thus, the research on the thermal and hydrodynamics of active layer during the thawing and freezing processes was considered a key to revealing the heat and moisture exchanges between permafrost and atmosphere. The monitoring and research on active layer were conducted because permafrost occupies about two thirds of the total area of the Tibetan Plateau. Based on the analysis of the ground temperature data and soil moisture data of monitoring near the Wudaoliang region of the Tibetan Plateau, the thawing and freezing processes of active layer were divided into four stages, i.e. summer thawing stage (ST), autumn freezing stage (AF), winter cooling stage (WC) and spring warming stage (SW). Coupled heat and water flow is much more complicated in ST and AF, and more amount of water is migrating in these two stages. Heat is transferred mainly via conductive heat flow in the other two stages, and less water migrated. Four water migration and coupled heat flow processes were addressed for the thawing and freezing stages, which are water infiltration driven by gravity, moisture advection and distillation driven by temperature and osmotic gradients, water migration driven by capillarity and unfrozen water migration driven by temperature gradient. The water content near the permafrost table tends to increase after one thawing and freezing cycle, which is the main reason for the development of thick ground ice layer near permafrost table.     

雪层中水热耦合迁移模型的建立

建立了雪层中水、热耦合迁移模型，利用该模型分析了水、热、溶质交换的复杂的物理过程及雪层对土壤表面能量传输、水分迁移的影响，可用于预测冻融期积雪层的物理变化过程及雪层对土壤水热状况的影响。     

高速轿车二维风沙流边界层数学模型

基于普朗特的边界层思想,以不可简化成稀相的风沙流体为研究对象,以风沙流的一般方程为基础,在基本假设的条件下,建立了高速轿车车身顶部过流表面的边界层微分方程并给出沙流在近壁表面以滑移为特征的边界条件。又考虑到固体颗粒对边界层的扰动作用,引入了扰动因子。通过对边界层厚度的积分并利用相关条件,得到了边界层动量积分方程。     

蠕变作用下多孔介质渗流的固流耦合数学模型

针对岩体是一种可变形的多孔介质,岩体在荷载作用下发生蠕变的问题,岩体孔隙度、渗透率等物性参数随之变化;同时,孔隙和渗透特性的变化又引起压力场、速度场的改变,带动蠕变特性的变化。在研究渗流的过程中,考虑岩体蠕变的影响,基于岩体流变力学和渗流力学理论,应用对应性原理,建立了含有蠕变参数的动态应力平衡方程,推导了蠕变作用下多孔介质渗流的固流耦合数学模型。     

考虑渗流和地震时的砂土边坡稳定性计算

基于极限平衡理论,以砂土边坡为研究对象,推导了渗流和地震存在时拟静力法和拟动力法边坡安全系数的计算表达式。通过程序求解,与已有算例对比表明,计算结果基本一致,验证了2种方法解析式的合理性。参数分析表明,水位越高,边坡失稳越严重,水力梯度与安全系数基本为线性关系。渗流方向向下时,稳定性随水力梯度的增加而增大;渗流方向向上时,变化规律相反。水平地震加速度系数对稳定性的影响剧烈,竖向地震加速度系数对稳定性影响较小,简化计算可以忽略不计。最终得出拟静力法的解析式,简单、实用,而拟动力法则可以更为全面地考察砂土边坡稳定性随时间变化的特点。     

考虑围压和密度的饱和砂土液化后单调加载本构方程

为评价地震液化时饱和砂土初始液化后变形,研究了有效围压和密度对饱和砂土液化后单调加载应力应变的影响。基于初始液化后加载试验结果,改进了模拟饱和砂土液化后单调加载的本构方程,考虑了围压和密度的影响,并给出了门槛剪切应变随围压变化的关系式。结果表明:密度的影响可以由临界应力状态线的斜率的变化来体现;有效围压变化的影响可以由门槛剪切应变的变化来反映。     

黄瓜片冻结过程的数值计算及实验研究

在考虑热物性变化的条件下,用计算机模拟了黄瓜片的速冻过程,讨论了介质温度、传热系数和食品厚度对冻结时间的影响,并且与不考虑热物性变化的情况进行了比较。结果显示,考虑了热物性变化的计算结果更接近实验数据。     

建筑构件内热湿耦合过程分析中的传递函数解析法

建立了建筑构件内耦合的传热传湿动态数学模型，鉴于材料吸湿在传热传湿相互作用中的重要性，在能量方程中考虑湿度梯度作为热源或热汇，在质量方程中把温度梯度作为湿源或湿汇。首次提出用传递函数分析方法研究建筑构件内的热湿耦合过程，并以玻璃纤维板为例应用该方法进行了热湿耦合过程的分析计算，得到了板内温度和含湿量的动态分布特性。计算结果和实测值吻合较好，表明本建立的数学模型和求解方法合理可信。     

饱和岩层中地下水渗流与岩体变形的耦合数学模型及数值解法

地压作用下岩体、水等多相介质相互作用与组合运动规律是岩土工程界目前面临的难题 .根据固体和流体耦合作用的基本理论 ,考虑水对岩体本构关系的影响 ,提出了岩体和水耦合作用的数学模型 .在此基础上 ,对地下采动影响下考虑饱水岩体变形影响时水的流动规律进行了数值模拟分析 ,为地下岩体开挖时 ,对地下水的控制提供了理论基础和科学依据 .图 3,参 5 .