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.     

考虑生物降解作用时GCL+AL 衬垫中有机污染物的扩散规律

为研究有机污染物在土工复合膨润土衬垫(GCL)+土体保护层(AL)衬垫中的运移规律,建立了考虑AL中生物降解作用的GCL+AL衬垫中有机污染物一维扩散模型,并得到该模型的解析解。通过与Pollute v7的计算结果进行比较,验证了模型的合理性。基于该模型,分析了生物降解作用对有机污染物在GCL+AL衬垫中运移的影响,探讨考虑生物降解时GCL+AL与压实黏土衬垫(CCL)之间的等效性。结果表明,减小有机污染物在AL中的降解半衰期可以减少GCL+AL衬垫底部有机污染物通量。在文中计算条件下,GCL+1m以上的AL复合衬垫可代替标准的0.75m CCL。     

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.     

基于线性吸附效应的CCL非饱和渗透特性

压实黏土衬垫(CCL)作为卫生填埋场最主要的防渗措施,其主要组成成分为粘性土体,在阻渗过程中会吸附渗滤液中的污染物质,改变土体孔隙结构,显著影响CCL防渗性能.假定CCL土体对污染物的吸附服从线性模式,土中孔隙均匀分布,土孔隙体积的改变只受污染物吸附效应影响,基于质量和体积关系分析,建立考虑污染物吸附效应的非饱和渗流模型,采用数值方法分析CCL对污染物的吸附效应对其非饱和渗透系数的影响.结果表明,填埋场CCL对污染物的吸附作用可有效降低防渗系统孔隙率,显著提高CCL防渗性能.在考虑吸附效应条件下,吸附分配系数、污染物浓度、初始孔隙率和有效饱和度等参数对CCL非饱和渗透性能有较大影响.     

CCL非线性吸附特性及孔隙率变化对污染物运移影响分析

假设压实黏土衬里(compacted clay liner.CCL)中的孔隙在空间均匀分布,土颗粒表面可均匀吸附重金属离子或有机污染物.且可用Langmuir方程表示其非线性吸附特性,依据体积与质量关系.提出了土体园吸附污染物而引起的孔隙率降低的估算公式,在饱和稳态和考虑土体孔隙率变化的条件下.建立了污染物一维运移的控制方程.在控制方程中,分别考虑垃圾降解效应、CCL、下卧有限厚度含水层等情况.应用所建立的控制方程对某一假想填埋场进行了数值计算与分析.变动参数计算与对比分析表明,因土颗粒对污染物的非线性平衡吸附所引起的孔隙率降低对污染物的运秽具有显著的影响.污染物穿过CCL的能力显著下降.与不考虑孔隙率变化的情况相比,穿透曲线的蜂值浓度降低近10%.考虑吸附引起的孔隙率变化情况下.线性吸附与非线性吸附对污染物运移影响规律相似.吸附强度参数K1和弥散系数对污染物运移影响较为显著.     

含排水砂垫层地基平面应变固结试验

针对含水平排水砂垫层地基的平面应变固结问题,自主研制了一套平面应变固结试验装置,开展饱和重塑黏土上覆不同长度和渗透系数的砂垫层条件下的固结试验,自动量测固结过程中土体超静孔隙水压力和表面沉降量的变化,分析砂垫层长度和渗透系数对土体固结速率的影响。结果表明:固结速率并不仅仅取决于砂垫层的渗透系数,砂垫层的长度也是影响地基固结速率的重要设计参数。砂垫层越长,则地基固结速率越慢,固结完成所需要的时间越长,其原因在于,砂垫层的长度决定了土堤等工程平面应变固结中水平向渗流路径的长短。     

考虑降解时有机污染物在完好复合衬垫中的扩散分析

建立有机污染物在土工膜+压实黏土衬垫(CCL)和土工模+土工复合膨润土衬垫(GCL)复合衬垫中的一维扩散模型,同时考虑有机污染物在衬垫中的降解作用,得到模型的解析解。在此基础上,探讨土工膜中非稳态与稳态过程、不考虑土工膜等条件下有机污染物的运移特征,对比复合衬垫底部污染物通量的差异。研究结果表明:降解参数对有机污染物在CCL复合衬垫中的迁移有较大影响,在分析CCL复合衬垫中有机污染物的扩散运移时,需要考虑降解作用;将CCL复合衬垫简化为CCL单层衬垫分析时,误差很小,土工膜的作用可以忽略;对于GCL复合衬垫,由于GCL厚度很小,土工膜的作用不可忽略。     

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.     

砂垫层对排水板地基固结效率的影响及设计方法

针对排水固结软基处理技术中水平向排水砂垫层的设计方法问题,开展流-固耦合固结的三维有限元分析,研究砂垫层渗透系数、厚度和宽度对塑料排水板地基固结的影响规律,揭示固结效率取决于砂垫层参数与土性参数、塑料排水板参数的相关性。据此,将塑料排水板地基径、竖向排水固结解析解等效为纯竖向排水固结解析解,推导能够反映土性参数和塑料排水板参数对地基固结影响的等效竖向渗透系数,并将其与砂垫层参数合理组合,得到综合考虑砂垫层、塑料排水板和土体共同作用对地基固结效率影响的集总参数。通过大量的三维有限元计算,分析该集总参数与地基固结效率之间的关系。给出塑料排水板地基中砂垫层的设计步骤,并结合某工程实例的验算验证该设计方法的有效性。研究结果表明:地基固结效率随集总参数的增大呈双曲线形增加,存在一个满足最优固结效率要求的集总参数值,可作为不同土性及塑料排水板参数条件下砂垫层的设计控制指标。     

考虑涂抹效应的排水板抽注水淋洗细粒土中污染液的轴对称解析解

针对细粒土中污染液清理的塑料排水板抽注水淋洗技术,考虑塑料排水板打设时不可避免的涂抹效应引起的土体干密度、孔隙率以及渗透系数的变化,并借鉴塑料排水板地基固结等应变理论的思想,假定同一深度上污染液浓度的变化速率为其变化速率的平均值,同时依据相关研究成果,忽略竖向渗流和分子扩散作用,采用分离变量法推导得到了淋洗过程中任意位置污染液浓度随时间变化过程的简化轴对称解析解答,并分析了涂抹效应对污染液淋洗清理速率的影响.结果表明,涂抹区土体渗透系数和涂抹区范围对污染液清理速率有着显著的影响,在塑料排水板抽注水淋洗技术的设计和分析中,考虑涂抹效应是十分必要的.     

分布式排水边界下均质地基固结有限元分析

针对地基固结前期排水量大而固结后期排水量小的特点,提出了一个分布式排水的边界条件。在Terzaghi一维固结理论的基础上,利用ABAQUS有限元软件实现了分布式排水边界下的固结模拟计算,分析了排水口间距和排水口大小对地基固结的影响规律,设计出最佳的分布式排水边界布设,进而探讨土体渗透系数和土体厚度对分布式排水边界下均质地基固结的影响。研究结果表明,相比完全排水边界,分布式排水边界虽不能完全满足固结前期的排水需求,但能够很好地满足固结中后期的排水要求,同时对于土体整体固结影响较小,为减少砂垫层的铺设提供了理论依据。     

水平排水砂垫层对天然地基固结效率影响分析

针对天然地基上的水平排水砂垫层,结合地基土体的渗透系数和厚度,综合考虑砂垫层的渗透系数、宽度和厚度对地基固结的影响,采用平面应变有限元方法,通过参数分析,研究砂垫层与地基参数共同作用对地基固结效率的影响,并采用砂垫层与地基的集总参数,分析其与地基固结效率之间的关系。结果表明:现行规范对于天然地基上砂垫层渗透系数的要求偏于保守;地基固结效率随集总参数的增大呈双曲线形非线性增加,且存在一个集总参数值,可以满足最优固结效率要求并可作为设计控制指标,用于不同地基土质条件下砂垫层的设计计算依据。     

不同压力下的黏土渗流性状试验研究

在诸如固结、沉降、降水等涉及渗透系数的岩土工程计算中,土层的渗透系数通常由渗透试验或现场抽水试验获得;并被视为常量。实际上渗透系数会随着外界条件的改变而发生变化,尤其是低渗土体。现利用研制的试验设备,对弱透水性的黏土进行渗透试验。试验结果表明:低固结压力下土体的渗透系数随水压呈"S"型曲线变化;且变化幅度较大。高固结压力下低渗土体的渗透系数随水压基本呈线性变化,且变化幅度较小。另外,水压对低渗土体的孔压传递规律也有影响,低水压作用下的土体孔压传递呈非线性变化,而高水压作用下呈线性变化。     

连续排水边界下成层地基一维固结问题的有限元分析

基于ABAQUS有限元软件开发连续排水边界条件的子程序,将计算结果分别与单层地基经典的Terzaghi一维固结理论解和连续排水边界Terzaghi一维固结解析解以及双层地基一维固结解析解进行对比分析,验证计算结果的正确性.针对实际工程中常见的成层地基,采用变化弹性模量、渗透系数和泊松比的方法对连续排水边界下成层地基一维固结问题进行数值分析.研究结果表明:连续排水边界能良好地模拟接近实际的工程工况.     

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。     

真空联合变堆载预压下竖井地基固结分析

为了得到真空联合变堆载预压下竖井地基沉降随时间的发展规律,考虑真空度沿竖井线性减小,堆载单级线性施加,还考虑了地基的径竖向渗流以及扰动区土体水平渗透系数呈抛物线变化,推导了真空联合变堆载预压下竖井地基固结度的一个解析解.并分析了地基固结性状.结果表明,荷载逐渐施加时,采用真空联合堆载预压比只采用堆载预压固结要快,真空度越大,沿深度衰减越慢,固结越快.在地基井径比和水平渗透系数与竖向渗透系数之比较小时,地基的竖向渗流对地基的固结度有较大的影响.     

渗透系数的条件模拟对污染物运移的不确定性分析

应用基于顺序条件模拟的蒙特卡罗方法,分析不同的先验渗透系数对污染物运移的不确定性影响.研究结果证明渗透系数的条件模拟可大大降低污染物运移结果的不确定性;随着渗透系数条件点数的变化,通过模拟得到的含水层中污染羽的空间矩(一阶矩和二阶矩)变化并不明显,各点的污染物浓度均值变化也不大.而污染物浓度变化的最大方差(不确定性)则随着渗透系数条件点数的增加而减小,同时运移结果的不确定性还取决于渗透系数条件点在空间上的分布位置.最后,根据渗透系数不同的条件模拟对污染物运移结果的响应,对实际工作中选取条件点的多寡提出相应的建议.     

半透水边界下土体大变形非线性固结模型

基于一维大变形固结(CS2)模型,引入半透水边界条件,建立了半透水边界下土体大变形非线性固结(IBC)模型.将其计算结果与现有的可以考虑半透水边界条件的小应变线性解析解和小应变非线性数值解进行了对比,验证了本模型的正确性.在此基础上对影响半透水边界土体固结的主要影响因素(应变大小、半透水参数和土体自重)进行了参数分析.结果表明:应力越大,半透水条件下土体固结越快;半透水参数为0.01是完全不透水边界与半透水边界的临界值,而半透水参数为100是半透水边界与完全透水边界的临界值;土体自重对于半透水边界条件下土体固结速率具有重要影响.     

真空预压影响区地下水位变化的计算

基于渗流理论,采用一维非稳定渗流模型,阐述了边界为变水头条件下的真空预压影响区地下水位变化的解析方法。利用加固区平均地下水零压线作为边界条件,推导了排水边界上降深随时间变化的一维非稳定渗流,得出影响区土体中地下水位的变化规律。通过算例,分析了影响区渗透系数以及预压区排水速率等因素对影响区地下水位的影响。结果表明,对于渗透性较低的软黏土而言,采用非稳定渗流分析是必要的,影响区渗透系数是区外地下水位变化的主要因素。预压区排水速率只影响区外渗流趋于稳定的时间,对渗流范围的影响较小。     

变荷载条件下考虑土体非线性的碎石桩复合地基固结研究

在合理假设的基础上,推导出变荷载条件下考虑土体非线性的碎石桩复合地基固结度解析解.此解析解可退化至经典的一维太沙基固结解,证明推导出的固结度解析解是正确.以此解析解为基础,研究了碎石桩半径、碎石桩渗透系数、桩土模量比、软土渗透指数、软土压缩指数、加载时间对复合地基固结速率的影响.研究结果可用于碎石桩复合地基的设计和施工.