核废料地质处置近场热-水-应力-迁移耦合二维有限元分析

引入渗透迁移方程,将所开发的饱和-非饱和孔隙介质中热-水-应力耦合弹塑性模型及其二维有限元程序进行了扩展和改进,使之可以同步地对温度场、渗流场、应力场和放射性核素浓度场的变化进行解析。然后针对一个假想的核废料处置库算例,考察了在热-水-应力-迁移耦合作用条件下近场温度、孔隙水压力及放射性核素浓度的分布及变化。     

热-水-应力耦合弹塑性二维有限元程序研制

通过从已有的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,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,初步开发出了一个用于分析饱和岩土介质中热-水-应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序。通过一维固结问题的有限元解与太沙基解析解的对比,以及对一个简化的核废料地下处置的热-水-应力耦合问题的数值计算,验证了本程序的正确性。     

不连续面对饱和-非饱和介质热-水-应力耦合影响的二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程入手，利用Galerkin方法，对于岩体和不连续面分别采用等参数单元和具有相同厚度的四节点节理单元，将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散，建立了用于分析存在不连续面的饱和-非饱和介质中的热-水-应力耦合弹塑性问题的有限元模型，并开发了相应的计算程序。通过假定的有、无节理的核废料地下处置算例，表现了由于存在渗透系数很大的不连续面，推迟了缓冲材料达到饱和的时间，并对岩体中的位移场、应力场和渗流场产生很大的影响。     

尤卡山坑道规模试验T-H-M耦合过程数值模拟

简述了笔者建立的求解热-水-应力耦合问题的数学模型,针对美国尤卡山高放射性核废料地质处置坑道规模试验使用笔者研制的有限元程序进行了热-气-应力耦合过程的数值模拟,分析了坑道周边的位移、温度及气压力的变化;并将该计算的部分结果和实测数据及国外有限元/有限差分方法的成果作了比较,看到三者温度的分布与变化较为接近,位移分布与LBNL的结果在定性和定量上有某种一致性,位移随时间的变化与实测结果的规律性大体相当.从而可以认为使用该模型和有限元程序对核废料地质处置中的热-水/气-应力耦合过程进行模拟是可行的.     

核废料地质贮存介质黏土岩的三维各向异性热-水-力耦合数值模拟

为了解黏土岩在放射性废料长期贮存中的热-水-力耦合过程,结合MontTerri核废料贮存地下岩石试验工程中黏土岩各种物理量的各向异性特点,应用多孔介质力学耦合理论研究了该黏土岩在加热和冷却全过程中由于热荷载引起的耦合效应场。研究过程考虑温度升高引起的孔隙水黏滞性改变对渗透系数的影响。研究结果表明,岩体力学参数、水力学参数和热传导参数的各向异性特性是影响岩体的温度场、孔隙压力场和应力场分布的最主要因素。各向异性耦合模型与各向同性耦合模型的数值模拟对比研究结果表明：各向异性模型数值结果能更加客观地反映该地下岩石试验工程中黏土岩在受热状态下的热-水-力耦合效应;同时,也表明岩体在加热过程中一直处于受压状态,而在冷却过程中局部会出现拉应力,从而有可能导致拉裂缝的产生。     

饱和-非饱和介质水-应力耦合弹塑性二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程和弹塑性矩阵入手，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，初步开发出了一个用于分析饱和-非饱和孔隙介质中水-应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序。通过引入一组特定的与非饱和状态有关的计算公式，对一个假定的非饱和土体中水-应力耦合问题进行了数值计算，考察了不同时间土体中的位移、孔隙水压力、有效主应力、流速和塑性区的分布，定性验证了该程序的正确性。     

核废物地质处置THM耦合三维有限元分析

笔者将所建立的热-水-应力耦合模型及开发的有限元程序由二维分析拓展到三维分析,并从方法论研究的角度,以一个简单的核废物地质处置模型为算例进行热-水-应力耦合过程的三维数值模拟,考察了近场的温度、饱和度、孔隙水压力、位移、正应力、流速等的分布与变化,认为计算结果符合规律,从而初步对程序的正确性作出了肯定的评价.     

多孔介质流-固-热三场全耦合数学模型及数值模拟

给出多孔岩体介质的流–固–热三场全耦合数学模型。假定流体为单相流,固体介质为非沸腾的饱和、热弹性多孔介质,该模型由流体物质守恒方程、力学平衡方程和能量守恒方程这3个相互耦合的方程组成,其中包含了众多耦合项,并定义一系列的本构关系及耦合变量。以FEMLAB工具为基础,将该数学模型转化成为一个统一的偏微分方程组,在人机交互的环境下,实现流–固–热三场全耦合数值求解,一次解出渗流场、位移场和温度场,给出更接近真实物理过程的数值解答,避免松散耦合法求解多场耦合问题带来的误差。利用一个已知解析解和数值解的算例来证明了耦合模型及求解方法的正确性。最后模拟通过井孔向岩体中注入冷水时流–固–热全耦合过程,详细地分析全耦合作用对井壁围岩应力的影响,计算结果表明:流–固–热三场耦合作用对井壁的稳定分析有非常重要的影响。     

核废料处置概念库近场热-水-应力耦合二维有限元模拟

建立了分析饱和–非饱和介质中热–水–应力耦合现象的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵,并使用所开发的有限元程序对一个核废料处置概念库近场的热–水–应力耦合过程进行了数值模拟,考察了缓冲层及岩体中若干点的温度、饱和度、孔隙水压力及水平方向正应力随时间的变化情况,并将部分结果与国外类似软件的计算数据作了对比,看到二者的规律在定性上有某种一致性,但定量上仍存在一定差别,笔者试着分析了原因并得出了一定的认识。     

考虑变形及滞回效应影响的三维土-水特征曲面模型

为研究变形和滞回效应对非饱和土水-力耦合特性的影响,以边界面理论为基础,建立一个同时考虑变形及滞回效应影响的三维非饱和土土-水特征曲面模型,所建立模型可完整地描述非饱和土的水-力耦合特性。提出的本构方程以吸力和孔隙比为自变量,以饱和度为因变量,建立三维土-水特征曲面模型,通过编程实现了本模型的预测功能。通过程序的预测结果与一系列不同应力和水力路径下的试验结果进行对比,在饱和度-吸力/孔隙比二维平面及饱和度-吸力-孔隙比三维空间中,均验证了所建立模型的适用性及预测精度。     

热–水–应力耦合模型及FEBEX原位试验二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,提出了一个饱和–非饱和孔隙介质中且可考虑膨胀应力的热–水–应力耦合模型,并编制了相应的二维有限元程序。以高放射性核废料地质处置的FEBEX原位试验为模拟对象进行了数值分析,比较了实测值和计算值,从而验证了程序的正确性并从分析结果中得到了一些有益的认识。     

热–水–应力耦合模型及FEBEX原位试验二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,提出了一个饱和–非饱和孔隙介质中且可考虑膨胀应力的热–水–应力耦合模型,并编制了相应的二维有限元程序。以高放射性核废料地质处置的FEBEX原位试验为模拟对象进行了数值分析,比较了实测值和计算值,从而验证了程序的正确性并从分析结果中得到了一些有益的认识。     

Numerical thermo-hydro-mechanical modeling of compacted bentonite in China-mock-up test for deep geological disposal

The China-mock-up test is to evaluate the performance of the compacted Gaomiaozi(GMZ) bentonite under coupled thermo-hydro-mechanical(THM) conditions in deep geological disposal.A numerical study of the test is conducted in this paper.The principal THM characteristics of the bentonite are presented at first.A THM model is then presented to tackle the complex coupling behavior of the bentonite.The model of Alonso-Gens is incorporated to reproduce the mechanical behavior of the bentonite under unsaturated conditions.With the proposed model,numerical simulations of the China-mock-up test are carried out by using the code of LAGAMINE.The time variations associated with the temperature,degree of saturation,suction and swelling pressure of the compacted bentonite are studied.The results suggest that the proposed model is able to reproduce the mechanical behavior of the bentonite,and to predict moisture motion under coupled THM conditions.     

A fully coupled thermo-hydro-mechanical model for simulating multiphase flow,deformation and heat transfer in buffer material and rock masses

This paper presents a numerical method for modeling coupled thermo-hydro-mechanical processes of geomaterials with multiphase fluid flow. A FEM code has been developed and validated for modeling the behavior of porous geological media, and is equally applicable for modeling coupled THM processes in rocks. The governing equations are based on the theory of mixtures applied to the multiphysics of porous media, considering solid phase deformation, multiphase fluid flow, and heat transport. New numerical techniques have been developed for more efficient FEM formulation and equation solution for modeling saturated or partially saturated water flow, gas flow and heat transfer in deformable porous media, as are commonly encountered in performance and safety assessment of underground radioactive repositories. The code has been validated against an experimental benchmark test, which involves bentonite under laboratory conditions, with good results. Several critical outstanding issues for modeling coupled processes of geomaterials are discussed in depth.     

饱和多孔介质中热弹性波传播特性研究

在饱和多孔介质热流固耦合动力响应模型基础上,建立了饱和多孔介质热流固耦合热弹性波动理论,研究了热物性参数对波的传播特性的影响。通过引入势函数,推导了饱和多孔介质体中热弹性波的弥散方程,重点分析了热膨胀系数对p_{1、p2、T和S波的波速的影响,结果表明:热膨胀系数对p1和p2的影响较大,热流固耦合效应不可忽视。与饱和多孔介质中弹性波的传播特性对比分析验证了本文结果的正确性。}     

核废料处置库近场热-水-力耦合性状

采用高放射性核废料处置库模型试验,以核废料处置库近场的膨润土及岩石为研究对象,建立轴对称模型,选用适当的热、水、力本构方程,运用有限元软件code-bright对核废料处置库关闭后处置库近场的温度场、渗流场、应力场进行考虑TH, HM, TM部分耦合与THM完全耦合的数值模拟分析。得到处置库关闭后近场膨润土及岩石内温度、液体饱和度、应力的变化规律及不同耦合对这些性状影响的敏感度。结果可为核废料处置库的规划、设计以及数值分析时耦合类型的选择提供参考。