高压实膨润土砌块接缝组合热−水−力耦合效应试验装置研制及应用

评估高放废物地下处置库缓冲材料的阻滞性能需要了解热−水−力(THM)耦合条件下高压实膨润土砌块与拼装接缝组合体的性能。为此,研制了一台膨润土砌块及接缝THM耦合特性试验仪,该装置由模型试验箱、砌块与接缝、温度控制、水力控制、数据测量与采集共5个系统构成。采用两块高庙子(GMZ)膨润土砌块和一条填有砂和膨润土颗粒的接缝制作砌块−接缝组合试样,在90℃的热边界和0.1 MPa的水力边界条件下进行了为期266 d的试验以检测试验装置设计的可行性。基于温度、体积含水率和膨胀力实测数据,获得了试样内部热、水和力三场的时空演化过程及规律。根据试样内部的干密度变化规律,建立了新的接缝愈合度定义式,并利用接缝变形观测数据计算了接缝愈合度。通过对接缝厚度与温度、体积含水率和膨胀力之间的关系进行回归分析,建立了相应的回归关系式。试验结果表明,该试验仪可用于核废物深地质处置缓冲材料的室内物理模拟试验。

饱和多孔黏弹地基热−水−力耦合动力响应分析

天然土体由于沉积条件和应力状态不同,往往会表现出一定的流变性.本文研究地基上表面受外载荷作用时,渗透系数和孔隙率变化对饱和多孔黏弹性地基热−水−力耦合动力响应问题的影响.基于Biot波动方程、达西定律和Lord-Shulman广义热弹性理论,并引入了考虑黏弹性松弛时间因子的Kelvin-Voigt黏弹性模型研究地基上表面受热/力源作用时,孔隙率和渗透系数变化对均质各向同性饱和多孔黏弹性地基中所考虑的各无量纲量的影响.根据不同的边界条件采用正则模态法推导出无量纲竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度的解析表达式,结合算例分析了不同变量对各物理量的影响.正则模态法是一种加权残差法,可不经正、反积分变换将方程快速解耦并消除数值反变换的局限性.结果表明:无论何种载荷作用时,载荷频率变化对所有考虑的物理量均有明显的影响;孔隙率和渗透系数均对无量纲超孔隙水压力有明显的影响,当仅考虑热载荷作用时,孔隙率和渗透系数变化对无量纲温度均无影响.正则模态法可广泛应用于岩土工程领域,尤其适用于商业建筑、高速铁路和公路能源基础的热、力学特性研究中.该研究结果可为工程施工奠定一定的理论基础,具有一定的指导性意义.

地铁车站下水平冻结过程中冻胀的热−水−力耦合模型研究

随着地下空间大规模开发利用,人工冻结法在隧道下穿上覆结构工程中得到广泛应用,但上覆结构对冻胀变形控制要求也越来越高,而上覆既有结构与冻结法工艺的相互作用规律尚不明晰。为此,提出多物理场耦合冻胀变形计算方法。依托上海地铁18号线国权路站下穿既有10号线上部运营车站的盾构隧道工程,以上海第⑤_(1)层灰色黏土为对象,研究新建隧道冻结法施工对上部运营车站主要结构的扰动作用。以孔隙比、冻结温度和平均水压力为耦合变量,考虑水分迁移,推导冻胀变形公式,改进热−水−力耦合的冻胀计算模型。基于黏性土的冻胀试验,获得冻胀试样的应力−应变关系,描述黏性土孔隙结构的变化规律。利用软件COMSOL Multiphysics的弱形式模块,开展热−水−力三场耦合数值模拟。结果表明:模拟结果与监测数据具有较高的拟合度,并小于预定的控制值,验证了耦合理论的正确性。研究成果可为类似冻结下穿隧道工程,提供一种多物理场耦合作用的上覆结构变形计算方法;为下穿隧道工程冻结法设计及施工提供有效的计算参数;为制定下穿隧道工程冻结法加固施工的安全控制指标,提供科学依据。