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.

高饱和条件下水-力-化耦合模型及数值模拟

填埋场底部黏土垫层特性对其长期防渗隔污服役性能的有效发挥具有极其重要的作用。针对实际堆场中黏土屏障呈现出的高饱和状态,将液相(孔隙水)与气相(闭塞气泡)视为混合流体,通过分别建立土体应力平衡方程、混合流体质量守恒方程及溶质质量守恒方程,综合考虑土颗粒-孔隙流体-溶质间的相互作用机制,推导得到了高饱和度条件下,溶质在黏土防渗层中运移的水-力-化全耦合模型,能够实现多物理场耦合作用时土层变形量、混合流体压力及溶质溶度随时空分布的直接精确求解。采用多场耦合有限元分析软件COMSOL对所建模型开展数值模拟,结果表明,模型结果与Peters所得结果吻合较好;黏土垫层中可压缩性气体的存在延缓了超孔隙流体压力的消散,加大了土层的沉降量,对溶质在防渗黏土层中的运移进程起到了显著的阻滞效果。

考虑热效应的污染物在土中扩散、渗透和固结耦合模型

为探究温度对污染物运移进程的影响,建立了考虑热效应的污染物在土中扩散、渗透和固结耦合模型,该模型不仅能够体现污染物运移过程中土体物理特性及输运性质的动态变化,同时实现了扩散、渗透和固结机制的耦合。在验证模型有效性的基础上,分析了热扩散、热渗透、热固结及其综合效应对污染物运移规律的影响。结果表明:热扩散、热渗透能够显著加快污染物运移,且随着索雷特系数和热渗透系数的增大,热扩散和热渗透效应对污染物运移的促进作用增强。而热固结效应则能够减缓污染物运移,但随着土体热膨胀系数的增加,垫层底部污染物积累质量浓度变化不大。当温差为40 K时,与不考虑热效应工况相比,考虑热扩散、热渗透和热固结综合效应影响下的污染物击穿时间缩短54 a。

高饱和黏土垫层污染物运移数值模拟与分析

针对城市固废堆场底部黏土垫层的高饱和状态,将液相与气相视作混合流体,建立了污染物运移的水力-力学-化学全耦合模型。采用有限元软件COMSOL 5. 0对控制方程进行数值求解,分析饱和度、力学荷载和化学渗透系数对高饱和土体污染物运移规律的影响,并对其作用机理进行探讨。结果表明,高饱和土体中气泡的存在会增加分子扩散时的弯曲因子,减少渗流量,从而延迟溶质击穿黏土垫层时间。随荷载增加,土壤趋于密实,孔隙通道减小,导致流体流速降低,从而减慢污染物运移速度。随化学渗透系数增大,负孔隙压力也相应增大,导致化学渗透效应增强,显著降低溶质的运移速率,从而延长溶质击穿时间。在进行填埋场防渗隔污屏障设计时,应充分考虑黏土垫层中气泡、力学荷载及化学渗透系数的变化。

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.

考虑扩散势作用的多离子扩散模型及影响因素分析

扩散是成岩作用、溶质在沉积物和地下水中运移等过程中的重要机制。实际工程中主要是多离子共存系统,已有研究忽略了离子带电产生的静电效应对扩散进程的影响,使得各离子间的相互作用在扩散模型中未得到体现。基于经典Fick定律,考虑离子间静电效应产生的扩散势作用,借助电中性约束条件,通过推导建立了考虑扩散势作用的多离子扩散模型,采用COMSOL Multiphysics有限元软件对多离子的扩散行为开展了数值模拟,重点分析了扩散势影响因素的作用。结果表明:扩散势对阳离子的扩散具有加速作用,对阴离子的扩散具有阻滞效果。当阴离子扩散系数相同时,扩散势对离子的加速作用随阳离子扩散系数的减小逐渐增强。当溶液中阴、阳离子扩散系数均固定时,扩散势对离子的加速作用随离子价位的增加略有提高。

非理想体系多离子非稳态扩散模型及数值模拟

在众多工程领域中均存在扩散现象。大多数扩散模型均是采用经典的Fick定律,仅考虑理想溶液中离子浓度梯度对扩散的驱动,未考虑多离子溶液环境对扩散的影响。溶液中离子间的静电作用导致溶液偏离理想状态,使得各离子浓度不能完全有效发挥,实际的扩散现象得不到合理的解释。基于广义线性扩散通量方程,引入Guntelberg修正的活度系数表征理想溶液与实际溶液中离子浓度的偏差,结合质量平衡方程,建立了适用于非理想体系的多离子非稳态扩散模型。采用已有试验数据与模型结果进行了对比分析,验证了所建模型的正确性和有效性。选用有限元软件Comsol Multiphysics对所建模型进行数值求解,结果表明:溶液非理想性特征对离子扩散具有显著的阻滞作用。当离子价位一定时,初始浓度越高对离子扩散阻滞效果越明显;在源浓度一定的情况下,离子价位越高对扩散阻滞效果越强。

带电性黏土介质多离子体系扩散模型

污染物在黏土防渗层中扩散时,不仅需考虑污染物离子自身活性,还须考虑黏土介质自身带负电特性这一离子存在环境对扩散进程的影响。通过对电场作用下的活度系数进行修正并引入电化学势描述方程,建立了适用于带电性黏土介质的基于动量平衡的多离子体系扩散模型。由于所建模型的复杂性,选用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics开展数值模拟,揭示了多离子体系在黏土垫层中的运动规律。数值结果表明:随着污染物离子初始浓度的增大,考虑土体带电特性及离子活性对扩散进程的阻滞效果越来越明显。

钢管再生混凝土轴压短柱力学性能分析

本文通过实验研究了8个钢管再生混凝土轴压短柱以及2个钢管混凝土轴压短柱,把钢管再生混凝土和钢管混凝土的荷载与变形关系进行了详细的比较。运用数值法对构件的荷载与变形曲线进行了计算,所得的结果正好与本文之前的试验结果完全一致。本文利用有关的章程计算出钢管再生混凝土的强度承载力,并且对章程的适用性做出了详细的分析。