寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析

首先根据传热学、渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、渗流场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程。然后应用伽辽金法导出了这一问题的有限元计算公式。最后给出了一寒区隧道考虑渗流和冻胀时的温度场和应力场算例。算例表明冻胀力对隧道衬砌应力的影响很大,应充分考虑这一因素的影响。     

寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析

首先根据传热学、渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、渗流场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程.然后应用伽辽金法导出了这一问题的有限元计算公式.最后给出了一寒区隧道考虑渗流和冻胀时的温度场和应力场算例.算例表明冻胀力对隧道衬砌应力的影响很大,应充分考虑这一因素的影响.     

低温冻融条件下岩体温度–渗流–应力–损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

 寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明：该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明：极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。     

寒区隧道渗流场和温度场耦合问题的三维非线性分析

根据传热学和渗流力学的基本理论,考虑冻土渗流场和温度场的耦合影响,建立冻土渗流场和温度场耦合问题的三维数学模型,应用Galerkin法进行有限元分析,并编制有限元分析程序。运用该数学模型和有限元分析程序,进行了青藏铁路昆仑山隧道DK977+578～DK977+682浅埋段的温度场以及渗流场和温度场耦合问题的三维非线性分析。分析结果表明:渗流场对隧道围岩的温度场影响较大,在寒区隧道工程设计时,应该考虑渗流场与温度场的耦合影响。     

冻结岩体单裂隙应力场分析及热–力耦合模拟

 我国寒区分布面积广泛,岩体冻融损伤问题涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合,严重威胁着寒区岩体工程的安全稳定。在考虑水分迁移的条件下,以水冰相变为切入点,结合断裂力学、弹塑性力学理论,分析冻胀荷载作用下饱和岩体裂隙应力场分布规律与尖端应力强度因子。考虑温度对冻结率的影响,采用等效热膨胀系数法模拟冻胀荷载,运用FLAC3D软件建立单裂隙冻胀热–力耦合模型,编制FISH程序进行计算,得出冻胀作用下裂隙附近应力场分布,并与理论值进行对比分析。     

大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析

 博士学位论文摘要　进行大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析, 是解决评价和预测大坝、坝基、坝肩稳定性, 库岸边坡稳定性等问题的关键。运用岩体力学、渗流力学和结构力学相结合, 理论分析与工程应用相结合, 大坝与周围地质体相结合的系统研究方法, 以大坝及其周围有限的地质体为研究对象, 进行渗流场与应力场耦合分析研究。首先, 以大坝及岩体的结构类型为基础, 进行裂隙渗流力学基础研究, 分析大坝2地质体系统的渗流及渗流控制问题。然后, 同时考虑渗流对介质作用的渗透静水压力和渗透动水压力(渗流体积力或裂隙壁切向拖曳力) , 建立大坝2地质体系统渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络非线性数学模型及渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型, 并开发求解此耦合分析模型的三维有限元程序与软件。最后, 进行小湾水电站坝区和龙滩碾压混凝土坝渗流场与应力场耦合分析, 以及龙滩碾压混凝土坝渗流场与温度场耦合分析。在大坝2地质体系统渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络模型及三维主干裂隙网络模型、渗透动水压力引起的裂隙壁(或碾压混凝土坝层面) 切向拖曳力、渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型、以及大坝2地质体系统渗流场与应力场(或温度场) 耦合分析的数值方法及三维有限元程序与软件等方面作了创新性的研究。实际工程计算结果表明, 考虑耦合作用时, 由于裂隙(层面) 隙宽的减小而使总渗流量减小, 使渗流场水头分布发生变化; 也使岩体(坝体) 各应力分量的最大值增加10%～ 20% 左右; 当水力坡度较大时, 裂隙壁切向拖曳力使剪应力明显增加; 和耦合分析相比较, 不考虑耦合作用得出的应力结果偏于不安全。随着渗透系数的增大, 渗流场对温度场的影响更加明显, 而温度场对渗流场的影响减弱; 渗流由低温向高温流动时, 使温度场温度普遍降低, 但使渗流场水头普遍升高。     

含相变低温岩体水热耦合模型研究

 根据冻融循环条件下岩体水分运动和热量迁移的基本规律,基于连续介质力学、热力学以及分凝势理论,建立低温岩体温度场和渗流场耦合控制方程,该耦合方程不仅考虑了热传导、相变潜热和渗流速度对温度分布的影响,而且分析了由分凝势引起的孔隙水流动对渗流速度以及渗透压力分布的影响,实现了温度场和渗流场的双向全耦合。并将研究成果与M. Smith等的模型试验和现场试验进行对比分析,结果表明,所建立的耦合控制方程计算结果与实测结果吻合较好。在此基础上,应用此耦合模型数值仿真寒区隧道,对隧道温度场分布规律和冻融圈大小进行分析,该计算结果能为寒区隧道的设计和施工提供一定的参考。     

裂隙岩体水–冰相变及低温温度场–渗流场–应力场耦合研究

 岩体冻融损伤涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合问题。基于水–冰相变理论和能量守恒原理,得出冻结率表达式。运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,得出冻结条件下裂隙岩体的温度场–渗流场–应力场(THM)耦合控制方程。最后,通过1个含裂隙隧道低温THM耦合算例,将围岩当作岩块与裂隙介质组成的系统,采用等效热膨胀系数法对夹冰(含水)裂隙的冻胀效应进行模拟,并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。     

冻结温度下岩体THM完全耦合的理论初步分析

在冻结温度下，岩体受内部孔隙水、结构面及温度等的影响，其物理力学性质将发生深刻的变化，因而，一般热力学理论已经难以解释该问题。从不可逆过程热力学和连续介质力学理论出发，在若干合理的假定条件下，推导了冻结温度下岩体的质量守恒方程、平衡方程及能量守恒方程的最终表示形式；研究了岩体在冻结温度下冰与岩石的膨胀耦合关系，并建立了相应的耦合膨胀系数的表达式。为研究寒区工程围岩温度场、渗流场及应力场的分布规律及变形机理提供了新的理论依据。     

寒区土壤源热泵换热埋管的水热力耦合分析

为解决寒区土壤源热泵地下埋管冻胀安全性问题,根据传热学、渗流和冻土力学理论建立寒区土壤源热泵水热力耦合的数学力学模型及其控制方程.利用FEPG有限元自动生成软件,对大庆油田某土壤源热泵地下埋管所在土体内温度场分布、冻胀位移及应力作用进行仿真计算,并对不同深度、不同回填区土壤导热系数、不同管脚间距情况进行了对比分析.结果...     

Nonlinear analysis for the coupled problem of temperature, seepage and stress fields in cold-region tunnels

In this paper, a mathmatical mechanical model and the governing differential equations of the coupled problem of temperature, seepage and stress fields with phase change are first derived from the theory of heat transfer, the theory of seepage and frozen soil mechanics. Then the finite element formulae of this problem are obtained from Galerkin's method. Finally, an illustrative example of the temperature field and stress field in a cold regions tunnel, considering the seepage and frost-heaving force influence, is provided. The example shows that the influence of frost-heaving force on the stresses of the tunnel lining is very large and, thus, the effect of this factor on the tunnel lining should be taken into account in the cold regions engineering design.     

二维渗流场的MATIAB仿真在土力学教学改革中的应用

分析了二维渗流场与二维温度场之间的相似性,基于许多实际工程中的渗流问题都可视为平面应变情况,提出利用M at lab软件的热分析功能进行非饱和土渗流的计算方法,阐述M at lab软件中的PDE(偏微分方程)工具箱在求解计算流体力学问题中的应用过程,算例结果表明应用M at lab软件进行非饱和土渗流场的数值模拟是可行的,可以满足土力学关于渗流的章节教学改革需要。     

土坝温度场反馈渗流场可行性研究

利用温度场连续分布监测成果反馈渗流场,能够克服传统渗流场点式监测的不足。通过实验室筑建均质土坝模型,并在模型内敷设分布式测温光纤及测压管等,同步获取渗流场与温度场信息。通过理论分析均质土坝温度场分布及变化与渗流梯度、水土温差、渗透系数、导热系数、比热以及时间等因素的关系,构建了均质土坝温度场反馈渗流场的数学模型,并进行了室内试验成果验证分析,实现了由温度场信息反馈渗流场信息。研究成果表明：土坝温度场信息推求渗流场信息是可行的,构建的土坝温度场反馈渗流场的数学模型是成立的。     

The anisotropic seepage analysis of water-sealed underground oil storage caverns

The analysis of the seepage field in fractured rock mass is very important to the design of an underground oil storage project and must be done in the primary stage. A novel analytical method to calculate the anisotropic permeability tensor of an initial seepage field is presented in this paper. Fracture network simulation and results of water-pressing injection tests are used for the development of analytical method. As an example, the proposed method is used to model initial and subsequent seepage fields of Dalian water-sealed underground oil storage caverns project. The changes in the seepage field during the construction and operation periods are investigated adequately. The results indicate that this design meets the requirements for the groundwater level and the vertical hydraulic gradient, although their distributions in the two periods are different, the proposed method is acceptable for the anisotropic seepage analysis.     

混凝土重力坝稳定渗流场数值模拟研究

利用热传导与水渗流的相似性,运用大型通用软件ANSYS的热分析模块对混凝土重力坝稳定渗流场进行模拟计算。以青海省某混凝土重力坝非溢流坝坝段为算例,在ANSYS计算过程中,采用死活单元技术,并对过渡区的单元进行传导矩阵修正,运用自由面适应网格方法,得到渗流场分布。为验证计算结果的准确性,将ANSYS结果与传统渗流分析软件Seep／W结果进行比较,结果表明ANSYS热分析模块对混凝土重力坝稳定渗流场进行数值模拟计算的可用性。     

基坑开挖对临近桩基影响的实测及有限元数值模拟分析

基坑开挖引起的土体位移对临近建筑物桩基的影响越来越得到工程界的重视。对某基坑工程开挖进行的实测表明,基坑开挖可对临近桩基产生显著影响,并发现当排桩桩间距较大时,其后止水帷幕的水平位移可能大于排桩水平位移。以该实测工程为算例,采用三维有限元法进行了计算并与实测进行了对比。分析了桩基和基坑间距、桩基刚度、桩顶竖向荷载和桩基顶部约束条件等对桩基附加弯矩、位移的影响,并进行了评价分析,以期为有关的设计和施工提供参考。     

混凝土挡土墙的温度场和温度应力分析

针对水利工程建设中水工混凝土挡土墙常产生裂缝的现象，用有限元软件ANSYS模拟了水工混凝土挡土墙在日照辐射情况下的温度场，并进行了温度应力分析，达到了理想的模拟效果。     

地基条件对挡土墙地震土压力影响的振动台试验研究

地震土压力研究是挡土墙抗震设计的核心内容。汶川地震震害调查发现建于土质地基上的挡土墙较建于岩质上的更易发生震害,因此,研究地基条件对挡土墙地震土压力的影响是十分必要的,然而目前许多国家的铁路或公路抗震设计规范中未包含地基条件对挡土墙地震土压力的影响。鉴于此,为了深入了解地基条件对挡土墙地震土压力的影响,利用大型振动台试验这一最能直接反映地震响应特征的动力研究手段,就地基条件对挡土墙地震土压力的分布形式、合力大小、合力作用点位置的影响开展研究,并把实测结果与几个国家的抗震设计规范进行了对比,提出了挡土墙的抗震设计建议。