非饱和岩体裂隙中冰层生长试验及单个裂隙壁面上的结霜模型研究

裂隙中冰夹层的出现及生长是岩体冻胀风化的重要特征及成因,裂隙岩体是由裂隙和岩石基质构成,裂隙与可视为孔隙介质的岩石性质差异巨大,多数情况下是岩体中水分主要的储存及运移通道,对于不饱和裂隙而言,其中往往同时存在着气态迁移和液态迁移,很难直接用既有的原位冻胀和分凝冰机理解释裂隙中冰层形成及生长过程。为研究非饱和岩体裂隙中冰层出现及分布状况,作者用两块水泥试块拼接成带有单条垂直裂隙的岩体试样,并对试样进行了暖端补水条件下的单向冻结试验,试验结束后,试块中新增了3条水平裂隙和1条垂直裂隙,且裂隙中均有薄冰层出现,试样负温区有显著的结霜现象,整个过程中水分迁移总量达221 mL,且以气态形式为主。基于传热学基本原理,建立了自然对流条件下单个裂隙壁面上的结霜模型,根据试验中试样不同冷表面的特征,将结霜表面分为Ⅰ~Ⅲ类,分别计算了三类冷表面上霜层厚度、密度及单位质量随时间的变化,并利用试验结果对计算结果进行了验证,证明了单个壁面上结霜模型的可靠性。以结霜模型为依据,同时结合相关文献进行分析得到:影响岩体裂隙负温区壁面结霜量的直接因素有裂隙中的对流传热条件、空气相对湿度及负温区壁面面积大小,这三个因素取值越大时,则一定时间内裂隙壁面上的结霜量越多,裂隙中的成冰作用更为显著。裂隙沿程的温度梯度则是更为本质的原因,温度梯度越大时,岩体裂隙中的对流传热作用会更为强烈,负温区壁面面积越大,则一定时间内结霜量越多。

非饱和岩体三场耦合控制方程

为研究非饱和岩体对温度场-渗流场-变形场三场耦合作用的响应,采用等效连续介质模型,根据质量守恒方程、线动量平衡方程和能量守恒方程以及相应的物性方程(状态方程和本构方程)推导了非饱和岩体三场耦合控制方程,包括岩体变形场控制方程、地下水渗流场控制方程和岩体温度场控制方程.在推导三场耦合控制方程中,舍弃了局部热平衡假设,而采用热弹塑性本构关系,并考虑了温度梯度对地下水渗流的影响.

气液二相非饱和岩体热–水–应力耦合模型及二维有限元分析

针对高放射性核废料地质处置中水及水蒸汽二相共存的非饱和孔隙岩体,根据相关的理论,推导了应力平衡方程、流体连续性方程及能量守恒方程,使用Galerkin方法将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,初步开发出了相应的分析热–水–应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序。通过一个核废料处置概念库的计算认识到:高放废物地质处置后的几十年内,缓冲层中的温度及液相饱和度均上升,同时该区域内要出现明显的应力、孔隙水压力、温度、液相饱和度和气相饱和度的集中现象。

基于遗传算法的非饱和岩体特征参数确定

在进行地下矿山开采和岩体稳定性分析中,非饱和岩体的水力传导度(k)和比容水度(c)等含水层参数是非常重要的基本数据。本文基于随机优化算法中的实数编码遗传算法求解玄武湖隧道工程的水文地质参数,通过岩体参数水力传导度(k)和比容水度(c)精确值与计算值比较,显示遗传算法求解的水文地质参数精度可靠,该法可以应用于非饱和岩体特征参数值的确定。

岩体固液气三相多场耦合模型的构建

基于理想模型的假设,将层状结构的非饱和岩体作为研究对象,从等效多相系统的守恒定律出发,建立了非饱和岩体的热流固全耦合模型,这些为研究多孔介质多场耦合提供了一个有效的方法,也为进一步研究温度场—渗流场—应力场耦合问题提供了理论支持,同时对我国垃圾填埋场、路基填土、堤坝防洪、核废料储存等领域工程设计和现场施工均发挥一定的指导意义.

有地表入渗的裂隙岩体渗流数值分析及工程应用

有地表入渗的裂隙岩体渗流是一饱和非饱和渗流过程。针对裂隙密度较大的岩体 ,把裂隙岩体等效为连续介质来处理 ,建立了有地表入渗的裂隙岩体饱和非饱和渗流数学模型。采用有限元方法作为数值模拟手段 ,编制了考虑地表入渗的饱和非饱和渗流有限元计算程序。用一室内模型试验对程序的可靠性进行了检验 ,检验结果表明模型和计算程序是合理的。最后介绍了程序在一实际工程问题中的应用。

降水入渗非对饱和裂隙岩质边坡稳定性的影响

针对降雨入渗后的暂态渗流场难以确定问题，将岩－水－气三相耦合，提出了一种确定降雨入渗后的暂态渗流场的模型，并结合工程实例分析了降雨入渗流场的变化对岩质边坡稳定性的影响。

温度梯度水分扩散对双重孔隙岩体中THM耦合影响的有限元分析

建立了一种饱和-非饱和遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型,并研制出相应的二维有限元程序.通过一个假定的位于非饱和双重孔隙-裂隙岩体中的高放废物地质处置库算例,就温度梯度水分扩散系数不同的三种工况,考察了岩体中的温度、孔隙水压力、饱和度、地下水流速和主应力的变化、分布情况.结果显示:各工况计算域中温度场及应力场基本相同,当岩体温度梯度水分扩散系数较大时,近场的负孔隙水压力上升到很高的数值,负裂隙水压力有所下降,饱和度亦有相应的变化,当温度梯度水分扩散系数小到一定程度后,其影响也将逐渐消失.