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热—水—力耦合条件下非饱和土的热传导特性及调控机理研究

周嵩  
【摘要】:自然界中的大多数土体一般处于非饱和状态,可视为由固相土颗粒、液相和气相构成的三相混合物。非饱和土的结构特征及物理力学特性是土石坝非饱和渗流、暴雨诱发滑坡、泥石流地质灾害、高放废物深地质处置、软土固结、深厚覆盖层上的水电工程建设、地下水封油库等重大工程问题的重要研究内容。尤其是随着核能安全开发与利用需求的不断增长,高放废物深地质处置问题越来越受到岩土工程界的关注。为了保障高放废物深地质处置库的安全稳定运行,在废物容器和围岩之间需要设置一层由缓冲回填材料组成的屏障系统。高放废物的衰变放热、地下水的渗流以及缓冲回填材料的吸湿膨胀导致屏障系统处于复杂的多场多相耦合环境中,缓冲回填材料在热-水-力(THM)耦合条件下的物理力学特性是高放废物地质处置库性能评估与优化设计的重要基础。本文以高放废物深地质处置问题为背景,以非饱和土为研究对象,采用宏观等效方法及细观力学方法,重点研究THM耦合条件下非饱和土热传导特性的演化机理与分析模型,分析THM耦合条件下非饱和土有效热传导特性的主要影响因素及演化规律,并讨论THM耦合条件下非饱和土热传导特性的调控手段与评估方法。主要研究工作及成果如下: (1)总结分析了非饱和土的细观结构特征及孔隙尺寸分布模式。研究表明,膨润土等黏性土具有显著的多重孔隙结构特征,孔隙尺寸分布曲线一般表现出双峰模式,且不同性质的孔隙往往具有不同的物理力学响应。基于能量守恒原理给出了THM耦合条件下土体的热传导数学模型,讨论了THM耦合作用对热传导过程的影响。 (2)通过将非饱和土概化为固-液-气三相混合物,并考虑土体孔隙与固相之间的联结关系以及孔隙内部水、气流体的组合特征,采用宏观等效方法建立了基于串并联原理的非饱和土有效热传导特性模型,该模型考虑了土体矿物成分、温度、流体压力、孔隙率及饱和度对热传导特性的影响,揭示了THM耦合条件下非饱和土有效热传导特性的演化机制。详细讨论了模型参数的确定方法,采用MX-80、FEBEX,Kunigel-Vl和GMZ01等四种膨润土的试验资料对模型进行了验证,并讨论了模型预测值随孔隙率及饱和度的演化规律,表明本文模型对不同膨润土均具有较好的预测能力,对任意的孔隙率及饱和度均严格满足Wiener界限,且在较宽的孔隙率及饱和度取值范围内满足Hashin-Shtrikkman界限。 (3)基于非饱和土的细观结构及孔隙尺寸分布特征,并借助Young-Laplace方程(即湿润相优先占据小孔隙)和无限均质基质体中椭球夹杂问题的基本解,建立了基于均匀化方法的非饱和土有效热传导特性细观力学模型,该模型反映了土体颗粒及孔隙形状、孔隙率、饱和度对土体热传导特性的影响,并对比研究了基于不同孔隙尺寸分布模式(单峰结构和双峰结构)以及不同均匀化方法(稀疏、自洽、MT、IDD)的细观力学模型的预测性能。详细讨论了模型参数的确定方法,采用MX-80、 FEBEX. Kunigel-V1和GMZ01等四种膨润土的试验资料对模型进行了验证。对比讨论了串并联模型与单峰细观力学模型及双峰细观力学模型的预测效果,结果表明细观力学模型不仅具有较少的模型参数和更明确的物理意义,且较串并联模型具有更好的预测性能;就细观力学模型而言,双峰模型的预测效果总体优于单峰模型,但双峰模型预测性能的改进有限。研究了模型预测值随土体颗粒与孔隙形状参数、孔隙率及饱和度的演化规律,结果表明除稀疏方法外,MT方法、IDD方法及自洽方法的预测值都严格满足Wiener界限及Hashin-Shtrikman界限。 (4)总结了非饱和土的工程改良手段及其机理,详细讨论了非饱和土热传导特性的调控手段及其评估方法,指出本文提出的串并联模型和细观力学模型均可反映人工压实和调节含水率对非饱和土热传导特性的调控作用。基于椭球夹杂问题的基本解,建立了一种评估掺砂膨润土热传导特性的两步均匀化方法,并对Kunigel-V1膨润土与石英砂混合物的热传导特性进行了预测分析。结合法国原子能委员会(CEA)开展的膨润土THMMock-up试验,基于本文提出的非饱和土有效热传导系数模型,探讨了THM耦合条件下膨润土热传导特性的演化规律,并分析了不同有效热传导模型对温度场分布特征的影响。


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