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基于多孔介质理论的土体多场耦合模型及其在非饱和土本构建模中的应用

蔡国庆  
【摘要】:高放废物地下处置、天然气水合物的开发、地热资源的利用、城市建设中的供热管道、埋地高压电缆等众多工程领域,都涉及到土体在应力、渗流、温度和化学等多场作用下的耦合问题。在多场耦合作用下,如何确定土体中土骨架的变形、孔隙水的渗流、热量的传递、组分物质或污染物的迁移与扩散、化学反应以及相变等多种过程,是目前国内外岩土工程研究领域一个迫切需要解决而又十分困难的问题。该问题的解决将为有效地解决许多工程问题,如土木工程的建设、地质灾害防治、环境保护、新能源高效开采等,提供必需的理论基础和分析方法。而建立在严格科学基础上的多场耦合理论却相对较少,传统的土体多场耦合理论大多数都是基于宏观现象学的认识,缺少严格和科学的理论基础。由此所建立的理论适用范围有限,也未能严格和有效地描述土体中多场和多过程耦合的现象,因此,无法满足解决上述实际工程问题的需要。尤其是在高放废物地下处置等一些新兴的岩土工程领域,温度对土体变形强度特性、渗流特性等基本性质的影响都不可忽略,而相关研究工作尚处于起步阶段,缺乏有价值的研究成果,更未形成完善的理论体系。 本文以多孔介质理论和热力学理论为基础,从系统的平衡方程、熵不等式以及一些本构假定出发,通过严密的理论推导建立了土体非线性多场耦合模型。然后,采用适当的自由能函数和耗散函数,建立了描述非饱和土变形-渗流-传热耦合过程的数学模型。此外,通过对新建立模型的适当简化,基于已有的试验研究成果,重点考虑非饱和土的温度效应,系统研究了温度对非饱和土变形、渗流特性的具体影响,建立了相应的本构模型,并编制计算程序对模型进行了验证。最后,为了更加直观和深入地研究温度对非饱和土基本性质的影响,还研制了温控非饱和土三轴试验装置,并基于此开展了温度对非饱和土土水特征曲线影响的试验研究。主要研究成果包括: (1)将非饱和土视为由多组分的弹塑性固体骨架、粘性液体以及理想气体组成的混合物,根据多孔介质理论建立系统内各组分、各相及整体三个层次的平衡方程,在连续介质力学中的决定性原理、等存性原理、坐标不变性原理以及相容性原理等限制条件下进行了合理的本构假设,由此提出了三相土体在非平衡态以及平衡态时建立本构关系的理论框架,从而形成了闭合的场方程系统。其中的关键是提出了有效广义热力学力的概念以及近平衡态时系统内部各广义耗散力和广义流之间的非线性耦合本构关系。并以此为基础给出了固相热弹塑性本构关系、液相粘弹塑性本构关系、广义Fourier定律和广义Darcy定律四种特殊耦合关系的本构方程。在给出某一具体的耗散函数的基础上,还对广义Darcy定律的具体形式进行了推导;最后还指出了不考虑温度和其它场耦合作用时,这一非线性模型可退化为非饱和土的弹塑性本构模型。 (2)土体的变形-渗流-传热耦合作用是十分普遍的物理现象及工程问题。在已建立的非饱和土多场耦合理论框架基础上,选取适当的自由能函数和耗散函数,对其进行Taylor级数展开,从而得到耦合多种场作用的本构方程,并进一步得到非饱和土变形-渗流-传热耦合的数学模型。该模型统一地描述了变形-渗流-传热耦合作用下土体的弹塑性变形、流体的流动以及热量的传导等现象。与已有的研究土体多场耦合问题不同的是,所给出的守恒方程除增加了与其他场的耦合作用项以及各场之间的界面效应项外,更重要的是在变形-渗流-传热耦合作用时,对考虑各种场影响的非线性本构关系进行了推导。 (3)在(1)、(2)项研究成果的基础上,结合现有的试验研究成果,重点考察温度对非饱和土变形性质的影响,建立了热-水-力耦合作用下的非饱和土弹塑性本构模型,并通过适当的简化,建立了三轴应力条件下的本构模型。在此基础上利用Fortran语言编制计算程序,对各向同性条件下非饱和土受温度影响的弹塑性变形进行了预测,通过与这方面已有的试验数据的对比和分析,验证了所建立本构模型的适用性。 (4)基于热力学理论,利用van Genuchten土水特征曲线表达式,建立了一种能考虑温度影响的土水特征曲线方程。该方程综合考虑了温度对表面张力和浸润系数的影响。相对于完全根据试验数据拟合的表达式而言,所给出的方程具有更加坚实的理论基础以及更好的适用性和一般性。在此基础上,提出了一种预测不同温度下非饱和土相对渗透系数的间接方法。该方法适用于土水特征曲线的整个吸力范围,从而其应用范围也会更广。利用MX-80斑脱土和黄土土样的试验结果,验证了所建立的土水特征曲线方程的正确性,并对不同温度下相对渗透系数随吸力的变化进行了预测。 (5)基于GDS非饱和土三轴仪,开发和研制了全新的压力室系统,并实现了对试验过程中温度的自动控制。所研制的仪器对温度的控制操作简便,数据的测量和采集实现自动化,且所测数据精确。利用所研制的仪器,对取自北京地铁八号线二期某车站基坑的粉质粘土,进行了不同温度下土水特征曲线的试验研究,揭示了温度对土水特征曲线的影响规律。


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1 蔡国庆;基于多孔介质理论的土体多场耦合模型及其在非饱和土本构建模中的应用[D];北京交通大学;2012年
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5 特约记者 杨焕星 记者 刘如春;雷州两村地表突然开裂系土体涨缩所致[N];地质勘查导报;2007年
6 郭宪忠;关于基坑防护措施[N];伊犁日报(汉);2006年
7 中国社会科学院考古研究所文化遗产保护研究中心 李存信;青海喇家遗址房址的加固处理和保护[N];中国文物报;2008年
8 王海波 张伯艳 周杰 (中国水利水电科学研究院工程抗震中心);中线输水线路抗震安全性的分析(下)[N];中国水利报;2005年
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