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。     

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。     

寒区挡土墙温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析

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。应用伽辽金法导出了这一问题的有限元计算公式。给出了一寒区挡土墙考虑渗流和冻胀时的温度场和应力场算例。算例表明渗流对寒区挡土墙周围的温度场影响很大,而冻胀力对寒区挡土墙的水平应力影响很大。因此在寒区工程设计时应充分考虑这些因素的影响     

寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究

博士学位论文摘要：我国是寒区面积分布最多的国家之一，随着寒区建设工程的日益增多，出现了大量的冻岩问题，而至今人们对冻岩问题的研究还非常不足。围绕冻岩问题，本文以实验研究为基础，采用理论分析和数值计算相结合的方法，系统地研究了岩石在低温、冻融循环条件下的力学特性，并根据实验结果建立岩石的宏观冻融损伤本构关系， 最终以寒区实际大型岩体工程——青藏铁路昆仑山隧道为背景，建立相应的温度-渗流、温度-渗流-应力多场耦合数学模型，采用有限元方法，进行寒区冻岩工程实例计算分析。本文的主要研究工作与成果如下： （1）首先，从工程现场取2种典型岩石，进行不同冻结温度和不同含水状态（完全饱和与干燥）下的单轴压缩和三轴压缩实验；然后，分析2种岩石在不同温度下的单轴压缩和三轴压缩实验的变形破坏规律，应力-应变关系以及不同含水条件下单轴抗压强度、弹性模量，三轴抗压强度随温度的变化关系，并给出了相应的拟合关系表达式；最后，进行2种岩石在不同低温以及饱和与干燥2种状态下的超声波波速测试和热参数测试，并给出了波速、导热系数与温度的关系。 （2）对红砂岩和页岩进行开放饱水状态下冻融循环实验，分析了2种岩石的冻融损伤劣化及冻融破坏行为，提出红砂岩和页岩分别代表的2种冻融损伤劣化模式：片落模式和裂纹模式；并对经历不同冻融次数后的岩样进行单轴压缩实验，记录岩石冻融循环后变形与强度的变化规律，分析这2种岩石的冻融耐久性，并对实验结果进行数据拟合，得出2种岩石在饱水状态下的单轴抗压强度、弹性模量与冻融次数的拟合关系表达式。 （3）以岩石冻融循环后的单轴压缩实验结果为依据，从宏观损伤力学理论出发，将岩石的损伤分为2个阶段：第1阶段为冻融引起的损伤，第2阶段为冻融和单轴压缩引起的总损伤，从而建立2个阶段的损伤演化方程，推导岩石受冻融循环次数影响的单轴损伤本构关系，根据建立的本构模型得出岩石冻融损伤后的单轴应力-应变关系曲线，并与实验曲线进行对比。计算结果表明，所建立的模型可靠，为三场耦合分析提供了很好的损伤本构模型。 （4）根据孔隙介质的对流换热理论，建立低温岩体对流传热温度与渗流耦合的数学模型，并运用多场耦合有限元计算程序，计算2个工程实例：其一是针对寒区输气管道围岩的冻结问题，验证所建立的数学模型的可靠性；其二是结合青藏铁路昆仑山隧道建设的工程实际，考虑气候变暖和有无保温层、防水层条件下，计算30a围岩温度场与渗流场的分布变化规律，指出气候变暖、保温层的铺设和渗流对寒区隧道围岩的长期稳定性均有较大影响。 （5）针对受低温及冻融循环影响的寒区岩体工程实际情况，引入所建立的岩石冻融损伤力学模型，将岩体的弹性常数视为随冻融次数及温度变化的函数，以混合物理论、连续介质力学、不可逆过程热力学理论为基础，建立冻融裂隙岩体温度-渗流-应力完全耦合的控制方程。运用有限元方法，以昆仑山隧道进口160m的DK976＋410断面围岩-衬砌系统为对象，进行开放系统条件下隧道温度、渗流、应力耦合问题的二维数值模拟计算，分析围岩-衬砌系统在施工完毕及运行30a后的温度、应力及位移的变化规律，并对现有的青藏铁路昆仑山隧道设计方法进行了安全评估。     

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。     

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。     

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。     

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.     

非饱和岩石温度-渗流-应力耦合模型研究

以研究岩石孔隙比和含水量两个基本量为出发点,考虑温度对渗流黏滞系数和孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响,应用修正的Darcy定律、Fourier定律等,推导出非饱和岩石在温度–渗流–应力耦合作用下的平衡方程、流体物质守恒方程、气体质量守恒方程和能量方程。并将建立的多场耦合力学模型应用于一泥岩竖井的开挖、支护过程,重点分析围岩和衬砌内温度场、渗流场的变化规律,以及泥岩竖井在开挖、支护和运行过程中饱和度的变化规律。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及高寒地区的隧道工程设计与施工具有重要的指导意义。     

软岩冻融损伤的水-热-力耦合研究初探

冻融力学研究正温、负温环境交替变化对材料的物理力学性质的影响。由于软岩为强度低、孔隙度大、胶结程度差、含有大量膨胀性粘土矿物的松散、软弱岩层。因此,软岩的水-热-力耦合不是一个简单的过程。初步提出了软岩的水-热迁移机理,进而提出了软岩水-热-力耦合的基本数学模型。最后用ANSYS软件模拟了隧道围岩温度场与应力场,得到了隧道围岩冻胀力的分布趋势。     

Study on a new-styled measure for treating water leakage of the permafrost tunnels

The status of water leakage of Kunlun mountain tunnel on Qinghai–Tibet railway is introduced by the time step in this paper. Based on the status of water leakage, the reason of water leakage of the tunnel is analyzed. In the light of the principle of protecting the frozen soil layer from thawing, a new-styled measure for treating water leakage, filling the ripped stone layer, is presented, and the design of filling the ripped stone layer is made. According to the basic theories of heat transfer and seepage, considering the coupled effects of seepage field and temperature field, a three-dimensional calculational model of the coupled problem is given, the spatial domain finite element formulae of this problem are obtained by Galerkin method, the time domain finite element formulae are obtained by Crank–Nicholson method, the solution process is presented, and a computer program is written. Using this model and program, three-dimensional nonlinear analyses for the coupled problem of seepage field and temperature field of the flat buried part from DK977+578 to DK977+682 in Kunlun mountain tunnel on Qinghai–Tibet railway are made under the two conditions of filling the ripped stone layer and not filling the ripped stone layer. The results show that it is feasible that the ripped stone layer is used for preventing water leakage of the permafrost tunnels. So, a new-styled measure can be used for treating water leakage of the permafrost tunnels.     

裂隙岩体非恒定渗流场与弹性应力场动态全耦合分析

为更真实地反映在环境条件变化以及施工过程等因素作用下渗流场和变形场的行为规律，在裂隙岩体介质小变形的假定下，基于不可压缩水流在复杂应力状态作用下的裂隙岩体介质中运动的一般方程，建立两场动态全耦合的有限元数值模拟方法。在耦合分析中采用统一域混合模型模拟渗流场，对弹性变形场的模拟则采用多裂隙岩体介质和离散裂隙介质分别模拟的方法。对建立的耦合模型采用四自由度全耦合法结合有限元数值方法直接求解，对无压流中自由面的处理则采用固定网格法中的改进初流量法。最后针对水库裂隙岸坡算例，进行能模拟水库蓄水加载过程的静态、动态耦合有限元分析，揭示水库蓄水过程中裂隙岸坡位移场和渗流场的基本变化规律。分析结果表明，考虑蓄水过程中渗流的动态效应时，将会使水库岸坡产生较大的差异沉陷，从而对岸坡的稳定性产生不利影响，对于缓慢蓄水过程可以近似作为静态问题处理。     

裂隙岩体地区导热-对流型温度场垂向渗透系数的计算及分布特征研究

阐述应用温度场方法研究裂隙岩体地区地下水渗流场参数的优点和存在垂向流作用下的导热–对流型温度场的地温特征。基于含水层导热–对流型温度场的地温曲线和渗流连续性方程,考虑受垂向流影响的温度场,建立地温与深度之间的函数关系,并建立不动点迭代方程,编制程序计算垂向渗透系数。针对渗透系数计算结果的统计特征分别构造满足正态分布、对数正态分布和均匀分布的3组新样本,构造减速膨胀曲线,对比分析渗透系数的概率分布特征。结果表明,同正态分布和均匀分布相比,裂隙岩体地区的垂向渗透系数更接近对数正态分布。利用温度场方法和统计学方法研究裂隙岩体地区地下水渗流场参数,如渗透系数,具有避免过多主、客观因素干扰,计算过程清晰,结果明确的特点。     

A fully coupled thermo-hydro-mechanical model for unsaturated porous media

In examining potential host rocks for such purposes as the disposal of high-level radioactive wastes,it is important to understand the coupled thermo-hydro-mechanical（THM） behavior of a porous medium.A rigorous and fully unified coupled thermo-hydro-mechanical model for unsaturated porous media is required to simulate the complex coupling mechanisms involved.Based on modified Darcy＇s and Fourier＇s laws,equations of mechanical equilibrium,mass conservation and energy conservation are derived by introducing void ratio and volumetric liquid water content into the model.The newly derived model takes into account the effects of temperature on the dynamic viscosity of liquid water and void ratio,the influence of liquid flow on temperature gradient（thermo-osmosis）,the influence on mass and heat conservation equations,and the influence of heat flow on water pressure gradient and thermal convection.The new coupled THM constitutive model is constructed by a finite element program and is used to simulate the coupled behavior of a tunnel during excavation,ventilation and concrete lining stages.Oil and gas engineering,underground disposal of nuclear waste and tunnel engineering may be benefited from the development of the new model.