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卸荷扰动下非饱和土水气二相实验仪的研制与应用

刘梦茹  
【摘要】:非饱和带是地球上的水资源在循环过程中进行物质交换的一个重要场所,非饱和带中的水气二相流通过相互驱替的方式或逸出地表或向下渗入地下水饱和带,故研究非饱和带的水气二相运移具有重要的意义。根据研究可知非饱和带中的水气二相运移是一个流固耦合过程,影响非饱和带中水气二相流固耦合的主动因素包括应力场及渗流场两个方面。目前的研究大多侧重于岩土介质内流体的变化(如降雨入渗)对水气二相运移的影响,忽略了应力场的作用。而在实际工程中非饱和带中土体的孔隙被气相和水相充满,当岩土介质的受力状态发生变化时,会引起非饱和土中孔隙的分布大小发生改变,进而影响非饱和土水气二相的运移机理。本文结合实际工程背景,旨在研究用于揭示应力场变化下非饱和土中水气二相运移机理的实验仪器的设计与研制。在总结国内外水气二相流理论及其实验装置的基础上,根据非饱和带中土及各相的参数特征自主研制了一套用于研究卸荷扰动下非饱和土中水气二相流运移机理的实验仪,并利用加工组装好的实验仪进行室内模拟实验。主要研究成果如下:(1)针对实验仪的功能要求及受力要求,设计出一套可承受较大荷载的实验仪的方案,结构上创新性的选用了柱脚与基础是刚性接触的框架结构,满足刚度高的要求;材料上选用钢材,满足承载能力强、耐久性的要求。基于理想弹塑性模型,利用ABAQUS/CAE软件建立四种材料强度不同的仪器实体模型,分别为普通碳素钢Q235模型、低合金钢Q345模型、低合金钢Q390模型、优质碳素钢35Mn模型,分别对模型的横梁、立柱、面板等受力构件进行力学性能分析及经济性评价,以低合金钢Q345模型为最优方案,且该方案的极限荷载为86t。(2)根据水气二相实验仪的最优方案组装实验仪的主体框架,并按研究目的设计并安装加卸荷系统、土应力监测系统、气相压力监测系统、水相压力监测系统。设计了实验操作流程,详细制定了标准的水气二相实验仪的操作规范、注意事项、养护说明等操作规程。(3)利用研制的水气二相实验仪开展室内模拟实验,得出在卸荷扰动下非饱和土水气二相的相关参数,并进行数据分析,分别绘制了气压历时曲线、气压波动曲线、剖面含水率等值线图及土应力历时曲线,可明显得出在加卸载过程中土应力与外荷载的变化趋势一致;在加载阶段含水率与气压具有良好的负相关性;在卸载阶段,含水率不断减小但气压呈现上下波动变化规律。结果表明在卸荷扰动下非饱和土中水气二相在不断地相互驱替,土体介质的受力状态在外力作用下发生变化,土体中孔隙大小的分布情况是影响水气二相运移的主要影响因素。


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