土石坝护坡冻胀破坏水-热-力耦合数值模拟研究

针对寒区土石坝护坡普遍存在的冻胀破坏问题,选取寒区某土石坝工程为研究对象,结合土石坝工程特点,建立考虑水-热-力耦合作用的有限元计算模型。研究护坡在库水位和坝体填土水分迁移作用下冻胀破坏全过程,分析土石坝温度场、水分场和位移场的变化规律,并将位移场有限元计算结果与实测冻胀变形资料进行对比,验证有限元计算结果。研究结果表明:冻胀作用对坝坡影响深度约为2 m,坝坡浅层0~2 m范围的温度变化受外界气温影响较大,坝体内部温度相对坝坡浅层变幅小,且有一定的滞后性;负温使坝坡浅层孔隙水相变成冰,宏观上表现为未冻水体积分数的降低,坝坡浅层土石混合体孔隙水相变、坝体填土内水分向坝坡迁移和冻结峰面向坝体内部移动是护坡冻胀破坏的主要因素;大坝坝坡计算冻胀量为20~30 cm,最大值为36 cm,计算结果与实测冻胀变形资料吻合;护坡冻胀破坏主要由砂砾料垫层、坝体填土等土石混合体冻胀及冰推力共同作用引起。研究结果可为寒区土石坝护坡设计提供参考。

多年冻土路基水-热-力耦合理论模型及数值模拟

在建立多年冻土地区路基非稳态温度场控制方程、水分迁移的有限元控制方程和路基变形场及应力场计算模型的基础上,提出水热力耦合模型。以青藏公路唐南段K3393+950的冻土路基为计算对象,得出了1月份路基温度场、水分场及应力场(变形场)的分布规律:路基温度场内部存在着未冻土核;水分场在温度梯度的作用下有向冻结冰锋线迁移的趋势;在负温条件下,土体的体积含冰量超过临界值时,将产生冻胀现象。研究结果表明,多年冻土地区路基的温度场、水分场及应力场一直处于动态变化中,路基的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起道路冻害的主要因素。

基于水-热-力耦合模型的钻孔灌注桩承载力影响因素分析

针对广大寒区普遍存在的冻胀-融沉影响桩基承载力问题,以清水河大桥灌注桩为例,基于建立的饱和冻土水-热-力三场耦合模型及研发的3G2012软件系统,深入研究了温度变幅、桩和地基土的传导系数、导水系数、回冻时间等因素对其承载力的影响,揭示了其承载的内在热力学机理.结果表明:钻孔灌注桩承载力随温度发生波动变化,冬季桩基的极限承载力近似为夏季的1.2倍;地基的导水系数提高一个数量级,加剧了地基土中的水分迁移及冻胀融沉变形,进而影响桩基承载力;冻土回冻时间对桩基承载力也有较大影响.以上结论为寒区岩土工程的设计与施工提供量化的科学依据.

软岩冻融损伤的水-热-力耦合研究初探

冻融力学研究正温、负温环境交替变化对材料的物理力学性质的影响。由于软岩为强度低、孔隙度大、胶结程度差、含有大量膨胀性粘土矿物的松散、软弱岩层。因此,软岩的水-热-力耦合不是一个简单的过程。初步提出了软岩的水-热迁移机理,进而提出了软岩水-热-力耦合的基本数学模型。最后用ANSYS软件模拟了隧道围岩温度场与应力场,得到了隧道围岩冻胀力的分布趋势。

水-热-力耦合作用下寒区弧底梯形渠道结构优化设计

为合理优化设计寒区弧底梯形渠道的形体结构,基于冻土水热力三场耦合及冻土-衬砌相互作用的渠道冻胀数值模型,结合分层序列法将渠道断面水力参数最优解集作为变量空间,以衬砌结构的强度、刚度及几何构造为约束条件,以衬砌适应冻胀变形能力为目标函数,建立寒区弧底梯形渠道水力-抗冻胀双优数学模型。随后对寒区各类典型渠道工程进行双优结构标准化设计,得到弧底梯形渠道在不同负温、地下水埋深、土质、断面规模下的双优边坡系数、实佳比及衬砌厚度的标准参数,供工程设计参考。研究结果表明:双优结构尺寸参数均随地下水埋深的增大而减小、随基土冻胀率的增大而增大、随冬季负温的降低而增大、随断面规模的增大而增大。以新疆某渠道工程为例,优化后的断面实佳比为1.02,较原设计值增大1.8%;最大法向冻胀量为2.52 cm,较原设计值增大20.0%;最大拉应力为0.95 MPa,较原设计值减小60.4%;衬砌整体柔度为305.47 cm/MPa,较原设计值增大42.3%,水力性能及抗冻胀性能均达到最优。

水-热-力耦合的单管冻结理论及其数值模拟

为研究考虑水-热-力耦合的人工冻结的环境效应,保证冻结施工安全,推导了水-热-力耦合的单管冻结理论公式,并将推导公式基于ANASYS软件进行了数值实现,对数值模拟成果进行了对比分析.结果表明:数值模拟冻结壁厚度达1.5 m,径向最大拉应力为0.39 MPa,最大压应力为0.2 MPa,与同条件下实际工程监测结果较为一致;冻结壁最大剪应力为0.36 MPa,最小剪应力为-0.27 MPa;冻胀最大位移达4.15 cm,比同条件下实际工程的监测结果大.数值模型验证了理论公式的有效性,相关结果可为类似工程参考.

考虑太阳辐射的寒区衬砌渠道水-热-力耦合冻胀模型与应用

寒区渠道走向导致的太阳光遮蔽产生了阴阳坡效应,引起了渠道水、热、变形的非对称分布。为探明其对渠道冻胀破坏的影响规律,本文提出了渠道阴影计算方法,采用HOTTEL晴空辐射模型,基于辐射度算法建立了考虑太阳辐射时空变化的渠道热辐射边界方程,并结合冻土水-热-力耦合理论构建了“环境-冻土-工程”相互作用的耦合冻胀模型。基于寒区“E-W”走向大型输水渠道现场监测数据验证了该模型的准确性,并系统分析了渠道温度场、水分场及变形场的耦合作用及发展变化的不对称、不同步规律。仿真结果表明:太阳辐射和阴坡遮蔽导致阴阳坡热边界差异显著,其日均温差最大为3.5℃,阴坡早于阳坡15 d冻结,晚于阳坡1 d融化,冻深最大差值为31 cm;冻结期内阴坡冰含量明显高于阳坡,而融化期阳坡冰融化较快,水分场呈条带状分布;坡板和底板最大冻胀变形分别发生在1/4~1/3坡长处和偏阳坡处,阴阳坡冻胀变形差值最大为4.0 cm。上述不对称、不同步冻结特征的宏观表现均是由阴阳坡太阳辐射的空间效应和昼夜温差的时间效应引起的温度梯度和冻结速率差异所致,就此给出了冻胀数值模拟热边界合理选取的建议,为寒旱区大型渠道防冻胀设计、复核及修复提供理论依据。

饱和土在单向冻结过程中的水-热-力耦合分析

给出了一多物理场模型来模拟饱和正冻土的水-热-力耦合过程。冻土区采用的是非线性弹性本构模型,而未冻区采用修正的剑桥模型。在这一数学模型中,克拉伯龙方程用于描述水和冰在相变时满足的平衡条件,并通过修正孔隙比来描述与温度有关的传导系数,由此描述未冻水的迁移。假定单元中土颗粒的长度不变且沿土柱冰晶从低温向高温有序生成,由此考虑水相变成冰的相对体积变化。以土颗粒的长度为分析目标来考虑冻胀过程中的较大变形。对于给定的边界条件,采用COMSOL软件对耦合的非线性偏微分方程进行求解。结果表明,这一方模型可以较好的模拟饱和土在冻结过程中的水-热-力耦合特征。

水-热-力耦合作用下输水渠道冻胀破坏效应研究

文章以新疆某电站引水渠为分析原型,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对季节冻土区输水渠道在水热力耦合作用下的冻胀破坏效应进行了分析。结果表明:水面以下,渠基土温度大于0℃即不产生冻结,水面以上温度变化梯度大,随着渠道水深的增加,渠基土的冻胀破坏效应面积相应减小;水深较浅时,冻胀变形最大位置位于渠边坡顶,而水深较深时,最大冻胀变形位置位于渠基底,冻胀破坏变形量随水深增加呈线性减小趋势;水深越深,拉应力作用区域越小,水面以下为压应力,同一位置,水深越深,压应力越大,输水状况下,主要受切向冻胀力影响较大,法向冻胀力的影响较小。

基于水-热-力耦合分析的钢混梁徐变数值模拟研究

文中基于多物理场、多尺度耦合分析平台DUCOM-COM3,研究了湿度、温度、顶部纵筋配筋率、混凝土水灰比四种因素对钢混梁徐变挠度发展的影响。结果表明标准环境下模拟结果与试验结果吻合,且模拟结果展现出的各种因素对钢混梁徐变的影响符合徐变机理解释。进而,基于大量工况模拟结果,回归建立了多因素钢混梁徐变预测模型,并通过耦合工况下的分析结果验证了模型的合理性。

热-水-力耦合条件下花岗岩裂隙开度的变化

地质选址考察和地基分析对地下空间工程建设十分重要。以浙江舟山地区花岗岩为样本,在地质勘测的基础上对热-水-力耦合条件下岩体裂隙的开度进行了数值模拟分析与计算。结果表明:在热-水耦合条件下,花岗岩裂隙的开度随着时间的增加先迅速增大,然后趋于稳定,距裂隙入口20 mm处热应变增大明显,但热应变范围在10-5量级;在热-水-力耦合条件下,5 MPa围压下岩体裂隙变形程度较3 MPa围压下更大,裂隙的开度受耦合作用影响显著,裂隙的开度随着围压的增大而不断减小,导致花岗岩裂隙内部渗流能力降低。该研究结果可为花岗岩岩体裂隙稳定性研究提供参考。

中国高放废物地质处置缓冲材料大型试验台架和热-水-力-化学耦合性能研究

缓冲材料作为高放废物深地质处置库中一道重要的人工屏障,与高放废物容器和处置库围岩直接接触,在高放废物衰变热、辐射作用和地下水等影响下产生复杂的热-水-力-化学耦合作用,为了验证缓冲材料是否能长期有效地发挥其屏障材料的作用,核工业北京地质研究院利用高庙子钠基膨润土组装并运行了模拟中国高放废物地质处置室1:2尺寸的大型缓冲材料膨润土试验台架(China-Mock-Up)。建立了缓冲材料试验台架的安装和试验方法,依据实测数据和理论分析,揭示了热-水-力-化学耦合作用条件下膨润土中的相对湿度是在加热器的热效应和外部供水的湿效应共同作用下发生变化的,压实膨润土中应力的变化主要是由于膨润土遇水膨胀和加热器的热效应引起的,试验验证了模拟高放废物地质处置室内加热器(废物罐)运行初期的位移过程,为缓冲材料和高放废物地质处置库的设计提供了重要的工程参数和理论依据。

不连续面在双重介质热-水-力三维耦合分析中的有限元数值实现

在建立双重介质热-水-力耦合微分控制方程的基础上,提出了裂隙岩体热-水-力耦合的三维力学模型,对不同介质分别建立以节点位移、水压力和温度为求解量的三维有限元格式,开发了双重介质热-水-力耦合分析的的三维有限元计算程序,在有限元数值分析中不连续面应力计算采用等厚度空间8节点节理单元进行离散,而不连续面渗流和热能计算时采用平面4节点等参单元进行离散,这样保证了不同介质之间的水量、热量交换和两类模型接触处节点水头、温度和位移相等。通过高温岩体地热开发算例,揭示了在热-水-力耦合作用下不连续面处于低应力区,其张开度随运行时间的延长呈非线性增加,非稳定渗流阶段不连续面显著地控制着渗流场的整体分布,它的水头远高于拟连续岩体介质的水头,而进入稳定渗流阶段不连续面的控渗作用不明显,由于高温岩体地热开发系统中存在大规模的热量补给,不连续面对岩体温度场分布的影响并不显著。

缓冲材料热-水-力耦合模型试验研究

高放废物深地质处置采用多重屏障设计体系,缓冲材料是位于废物罐和围岩之间的一道重要的人工屏障。在放射性衰变热、地下水入侵和围岩应力等作用下,缓冲材料经历复杂的热-水-力耦合过程,评价其长期性能对高放废物地质处置库的稳定运行至关重要。缓冲材料模型试验是研究膨润土在多场耦合环境下性能变化的重要途径。中型实验台架是大型实验台架(China-Mock-up)的重要补充,用来模拟与大型实验台架边界相同的环境下,即热量和水分别从缓冲材料的不同侧向另一侧传递和渗透的条件下膨润土的行为特征。通过实时监测缓冲材料在长期加热和加水条件下的温度、相对湿度、力学等特征参数,揭示了在热-水-力耦合条件下缓冲材料的性能变化规律,同时对台架进行了拆解,对拆解样品的含水量、干密度和微观结构等进行了分析测试,研究结果可为高放废物处置库缓冲材料的工程设计提供参数支持。

高放废物地质处置库中非饱和缓冲层的热-水-力耦合数值模拟

作为高放废物地质处置库中的缓冲/回填材料,膨润土在核废料放出的热量和周围天然岩体中地下水共同作用下,其热-水-力耦合作用效果对处置库的稳定性、安全性有着极为重要的影响。以非饱和土多场耦合理论为基础,基于ABAQUS有限元分析平台,建立二维轴对称模型,对高放废物地质处置库中膨润土缓冲层的热-水-力耦合过程开展了有限元模拟,给出了处置库近场缓冲层中不同位置的温度、饱和度、竖向应力及位移、孔隙水压力及吸力的分布及变化规律,并重点分析了温度场的影响,通过与已有研究成果的对比,证实了所计算结果的合理性。

热-水-力耦合作用下非饱和土变形特性的弹塑性模拟

在已有的非饱和土水-力耦合模型基础上,耦合考虑温度影响,建立了一个热-水-力耦合作用下非饱和土弹塑性本构模型。该模型以土骨架平均应力、修正吸力和温度为应力状态变量,以土骨架应变、饱和度和熵为应变状态变量。通过引入与温度相关的屈服面(LY、TY)以及相应的硬化规律来考虑温度对土体变形的影响。利用建立的模型,对文献中不同吸力和温度条件下的等向压缩和三轴排水剪切试验进行预测,预测结果表明,该模型能够较好地定量描述热-水-力耦合作用下非饱和土的变形特性。

基于热-水-力耦合的电渗排水试验数值模拟

基于多孔介质理论和热力学理论,考虑电渗产生的温度对土体变形及排水性质的影响,建立热-水-力耦合作用下的电渗排水多场耦合数学模型,并利用Fortran语言编制计算程序。在此基础上开展电渗排水现场试验的数值模拟,并与现场监测结果进行对比。研究结果表明:建立的模型可较好地模拟电渗过程中的温度场、渗流场及应力场变化和分布规律。土体温度随能耗增大而升高,尤其对于电极附近土体;阳极周围土体孔隙水压力减小,而阴极周围土体孔隙水压力增大,且考虑温度作用下的电渗流量随电渗的持续而增加;地基沉降由土体温度上升引起。

泥岩各向异性热-水-力耦合特性——基于ATLAS Ⅲ现场加热试验

比利时放射性核废料地质备选场址Boom clay是一种典型的横观各向同性材料,在Drucker-Prager帽盖模型的基础上,构建了适用于Boom clay的横观各向同性特点的热-水-力耦合弹塑性本构模型,该模型可反映温度对其强度、弹性模量、渗透性等的影响,并在ABAQUS中进行了二次开发。为验证所建立模型的合理性,结合比利时HADES地下实验室ATLAS Ⅲ现场加热试验结果,应用所提出的模型对加热过程中围岩的温度和孔隙水压力的变化规律进行了数值仿真分析。结果表明:所建立的模型能够正确地描述现场加热试验过程中围岩温度场和孔压场所呈现出的各向异性特征,主要表现为热源水平面内测点的孔压在加热功率升高时先略为下降后才升高,在加热功率下降时先略为升高后才下降,而竖直面内测点的孔压在加热功率升高时立即升高,在加热功率下降时立即下降。研究成果表明,考虑各向异性的THM耦合分析能更好地反映加热过程中泥岩温度场和孔压场的实际分布情况,研究结果对类似工程或现场试验的设计、安全运行提供重要的决策依据。

热-水-力耦合作用下岩石损伤力学模型与验证

为了探讨高温、高孔隙水压、高围压对岩石损伤破坏的影响,基于损伤力学基本理论,并结合应变等价性原理,建立热-水-力耦合作用下的损伤力学模型,构建表征岩石损伤演化的表达式,通过水-力耦合作用下热损伤花岗岩室内试验验证了该模型的合理性,并根据室内试验确定了模型参数。试验结果表明:提出的模型能较好地反映热-水-力耦合作用下岩石应力-应变过程,且能表征上述作用下岩石损伤演化规律;高温损伤会导致岩石由脆性逐渐向延性转变,而孔隙水压会进一步加剧岩石损伤演化。

核废料处置库近场热-水-力耦合性状

采用高放射性核废料处置库模型试验,以核废料处置库近场的膨润土及岩石为研究对象,建立轴对称模型,选用适当的热、水、力本构方程,运用有限元软件code-bright对核废料处置库关闭后处置库近场的温度场、渗流场、应力场进行考虑TH,HM,TM部分耦合与THM完全耦合的数值模拟分析。得到处置库关闭后近场膨润土及岩石内温度、液体饱和度、应力的变化规律及不同耦合对这些性状影响的敏感度。结果可为核废料处置库的规划、设计以及数值分析时耦合类型的选择提供参考。