基于热-水-力数值模拟的饱和正常固结黏土热压缩现象

既有饱和正常固结土体加热试验研究表明,温度升高时,土体的体积变化表现为体积收缩,这与热胀冷缩基本通识相违背。针对这一问题,通过热-水-力(THM)完全耦合有限元程序对饱和正常固结黏土的加热试验进行了数值模拟。结果表明,由于黏土的热传导系数及渗透系数都比较低,在升温过程中,试样内部会形成温度差,进而产生超孔隙水压,随着超孔隙水压的消散,最终使土体表现为热压缩现象。当增大土体的渗透系数时,土体内部不产生超孔隙水压,这时土体表现为热膨胀。因此,饱和正常固结土体升温引起的热压缩现象并非土体基本力学特性,而是一个边界值问题。

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.

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.

非饱和土热–水–力全耦合本构模型及其验证

在地热资源开发与利用、核废料地质处理、垃圾填埋场等诸多岩土工程领域都需要考虑温度对非饱和土性质的影响。为了更为全面描述非饱和土在热–水–力耦合条件下的变形及持水特性,以平均土骨架应力、修正吸力和温度为应力变量,以比体积和饱和度为应变变量,建立了一个非饱和土热–水–力全耦合本构模型。模型通过屈服面方程及屈服面之间的耦合规律来反映热–水–力之间的相互影响,主要包含温度和饱和度对力学特性的影响,吸力和超固结比(应力历史)对热变形的影响,密度、温度和滞回效应对持水特性的影响,温度、应力和滞回效应对干化及湿化变形的影响。利用建立的模型,对不同应力路径下的试验进行预测。通过预测与试验结果的对比,验证了模型的适用性。

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。

水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用模型及应用

为了研究温度对水饱和边坡夹层力学参数的影响,将水饱和边坡夹层视为固-液两相的线弹性体,建立了水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型,并推导了其耦合控制方程;采用物理相似模拟的方法,建立了与边坡原型相似的试验模型,研究温度引起的边坡夹层力学参数的变化特征;通过比较分析理论计算结果与模型试验结果,验证了所建立的耦合力学模型的适用性。研究结果表明:孔隙水压力系数和热压力系数是引起水饱和边坡夹层孔隙水压力增加的关键控制因素;孔隙水压力系数取决于孔隙排水压缩特性和固相介质压缩特性,这两者差值越大,孔隙水压力系数越大;孔隙水热膨胀系数和孔隙体积热膨胀系数是影响热压力系数的主要因素,这两者差值越大,热压力系数也越大;边坡夹层孔隙水压力随温度升高呈现出先缓慢增加而后急剧增加的变化特征,而黏聚力和抗剪强度随温度升高而缓慢降低,且孔隙水压力的理论计算结果与试验测试结果吻合良好。因此,水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型能较好地反映孔隙水压力在加热升温过程中的变化特征,为科学地预测和控制类似边坡工程的稳定性提供了参考。

荷载作用下多孔饱和地基的热-水-力耦合动力响应分析

基于广义热弹性理论,结合达西定律,对Biot波动方程进行修正,研究了一个受到荷载作用的多孔饱和地基的热-水-力多场耦合动态响应问题。建立了多孔饱和地基在荷载作用下的热-水-力耦合模型及控制方程,该模型可退化为热弹性耦合模型。采用正则模态法求解,得到了问题的解析解,讨论了热-水-力耦合模型和热弹性耦合模型的区别,分析了荷载频率变化对地基中各物理量的影响。最终给出了无量纲的竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度等物理量的分布规律。

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。

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。

考虑热-水-力耦合效应的饱和多孔地基动力响应分析

基于广义热弹性理论,结合Darcy(达西)定律,对Biot波动方程进行了修正,研究了一个受到椭圆余弦波作用的,均质各向同性半无限大饱和多孔地基的热-水-力多场耦合动态响应问题.建立了饱和多孔弹性地基的热-水-力耦合动力响应模型及控制方程,采用正则模态法求解,得到了问题的解析解,分析了地基中渗透系数变化和椭圆余弦波频率变化对饱和多孔地基中各物理量的影响.最终,给出了无量纲的竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度等物理量的分布规律.

地质系统热-水-力耦合作用的随机建模初步研究

热-水-力(THM)耦合作用是岩石力学与环境地质中的重要基础理论问题,核废料地质处置库周围的缓冲材料和围岩中的热-水-力耦合现象将影响其力学稳定性、热传导性和渗透性,进而影响放射性核素在裂隙岩体中的迁移规律。核废料或放射性废料的地下深埋处置是国际上正在研究的永久性隔离的有效方法之一。因此,对核废料地质处置法安全性评估的一个重要内容就是对裂隙岩体中力学稳定性与构造应力、地下水渗流及热载荷等的耦合作用之数值模拟和评估。这已成为当前刻不容缓的重要的环境影响评价课题。笔者研究了温度场-渗流场-应力场中热传导系数和渗透率以及岩体力学参数的空间变异性,用实验方法研究三场耦合效应及裂隙岩体的场性能等效处理,试图建立热-水-力耦合作用的随机性数学模型及可视化数值模拟方法,为核废料地质处置安全性评估提供直观的新方法。

岩体中热-水-力耦合模型的新进展

本文综述了岩五力学中热－水－力耦合模型的发展，特别介绍了国际合作项目DECOVAIEX在这一方向上的新进展。

考虑THM耦合的地热能源桩热-力行为分析

地热能源桩除了可以承受建筑物的上部结构荷载,还能提供低碳、环保和可持续的制冷/制热功能,因此在土木与能源等行业受到广泛关注。热-水-力(THM)三场耦合效应显著影响能源桩和土体的相互作用及其承载变形特性。利用多孔介质混合物理论推导了THM全耦合的基本控制方程,并通过与饱和非等温固结问题的理论解对比,验证了该耦合问题基于COMSOL有限元分析方法有效性。在此基础上,考虑流体性质随温度的变化和不同的桩土接触模型,开展了基于THM耦合的能源桩二维有限元模型的数值分析,并与离心数值模型和现场试验数据进行对比。计算结果表明该耦合模型不但能预测能源桩中应力、应变和位移场分布与演化规律,还能较好地模拟桩土多场耦合行为。研究结果表明,THM耦合效应对土工分析具有重要影响,研究成果可为能源桩设计、施工及使用过程中所涉及的多场耦合问题提供参考依据。

热-力耦合作用下花岗岩蠕变损伤模型

热-力耦合作用下的岩石蠕变行为对深部地下工程、高放射性废料处置工程影响显著。基于20~300℃下的花岗岩蠕变试验,分析温度对瞬时应变和蠕变应变速率的影响,由此认为温度对花岗岩瞬时弹性模量造成瞬时损伤并促进后续蠕变损伤过程,从而定义瞬时、蠕变热损伤变量。构建广义Kelvin热损伤模型和黏塑性热损伤元件,采用Heard指数型模型描述花岗岩稳态蠕变行为,串联后得到一个新的热-力耦合作用下的花岗岩蠕变损伤模型。给出模型参数求解方法,分析瞬时、蠕变热损伤变量变化规律,通过辨识三种花岗岩的蠕变试验数据,验证所建模型的合理性和适用性。研究成果为热-力耦合作用下花岗岩蠕变行为模拟及深部地下工程、高放射性废料处置工程长期稳定性研究提供一定参考。

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。

基于热-应力耦合场的光纤环胶黏剂特征参数研究

本文基于光纤陀螺的基本理论,建立光纤环的有限元模型。通过对温度场和热应力场的分析建立了热-应力耦合场。在耦合场下分别研究光纤环中胶黏剂的主要特征参数:热膨胀系数、弹性模量的变化对于光纤环输出角速率误差的影响。结果表明:误差随着热膨胀系数、弹性模量的减小而减小。对于胶粘剂特征参数的研究可以为胶黏剂的选择提供指导依据。

比利时高放废物处置库设计及与基岩和工程屏障体系的热–水–力性状的相关研究(英文)

在比利时,泥岩中地质处置是高放废物最终处置的首选。处置库在高放废物与生物圈之间的多重屏障基础上设计的,而 Boom 泥岩作为基岩的研究已有 20 多年历史。1980 年比利时做出重大决定,建立名为 HADES 的地下研究机构,以研究 Boom 泥岩在地下 223 m 处的力学性质,并调查和论证处置的可行性,为处置库屏障(天然和人工)提供可靠数据。在 HADES 的众多现场试验中,很多试验用来对基岩和工程屏障体系(包括封口和回填的可行性)的热–水–力性状进行研究,包括 CACTUS,ATLAS,BACCHUS 和 RESEAL 等项目。自 1995 年以来,研究开发计划向大型和示范性试验方向发展。最主要成果是运用工业技术建立地下研究设施(竖井和井巷)可行性得到了验证,且这种工业技术给研究提供一个较好机会,便于进一步认识基岩泥岩(CLIPEX 方案)的水–力性状及了解隧道开挖工程(SELFRAC 课题)对挖掘破坏区的影响。另一个重大成果是成功地实现对一种称为“OPHELE”的预制膨润土(人工屏障材料)加热和水化地面大型试验。下一步工作内容包括实现大尺寸现场加热器试验(PRACLAY 试验),此试验预计于 2006 年开始,并可持续 10 a 之久。据此,首先简要描述比利时高放废物处置库设计,然后回顾 Boom 泥岩和工程屏障体系的热–水–力性状相关试验,最后介绍下一步大规模 PRACLAY 试验。

基于本构模型参数的肌肉主动力响应有限元分析

研究了肌肉主动力有限元模型的力学性能与稳定性,使其适用于头颈部动力学响应的仿真研究.运用准线性黏弹性被动单元与Hill主动单元相耦合的方法,建立了兔子胫前肌的有限元仿真模型.对比Myers实验数据验证了该模型在不同应变率下离心收缩的应力应变特性.同时研究了等长收缩与轴向压缩模式下的肌肉的力学特性.仿真结果表明,仿真模型与实验输出应力应变曲线具有较好的一致性,在相同应变情况下,最大应力误差仅为0.07MPa.该模型具有较好的计算稳定性与生物逼真度,能够满足人体颈部肌肉建模的需求.