动态土水特征曲线滞后模型研究

土水特征曲线是描述非饱和土力学特性必不可少的方程,它的最大特点就是存在滞后效应,尽管目前已经建立了很多的土水特征曲线滞后模型,但这些模型都是针对平衡条件建立的。现有的理论和试验研究已经证实,土水特征曲线存在动态效应,与静态土水特征曲线相比,相同的饱和度时,动态土水特征曲线的吸力在干燥过程中要更大,而湿化过程中则更低。为了描述动态条件下土水特征曲线,首先从热力学的基础理论出发,探讨了动态效应的理论基础,并从熵增不等式中得到了动态的土水特征曲线方程。基于所得方程,利用边界面塑性理论,建立了可以预测任意扫描线的土水特征曲线模型。通过与已有的试验结果进行对比,表明模型可以很好地预测土体在干燥和湿化不同过程中的扫描线变化。所得结果可以用于解释一些实际问题,比如降水引起的沉降和降雨诱发滑坡等。     

非饱和土力学的分形理论

室内试验确定非饱和土的力学性质有许多困难,特别是非饱和土的渗透系数,非饱和土渗透系数量级小,随吸力变化幅度大。非饱和土的孔隙结构与非饱和土的力学特性有关,非饱和土的孔隙结构用分形模型表示,分形理论可以用于研究非饱和土的力学特性。本文采用分形理论描述土体孔隙特性,导出非饱和土的水份特征曲线、渗透系数、剪切强度、膨胀变形和压缩变形的表达式。非饱和土的吸力与孔隙的关系由Young-Lapalace方程表示,将孔隙与非饱和土力学性质联系起来。文中非饱和土的理论公式与试验结果符合得很好。     

荆门非饱和压实膨胀土的吸力特征及其本构方程

 吸力与非饱和土的力学性状密切相关,为探讨非饱和膨胀土吸力变化规律,以滤纸法为研究手段,测定6种不同压实度与13种不同重力含水率组合条件下荆门弱膨胀土的总吸力与基质吸力。试验基本覆盖该膨胀土持水状态与密实状态的可能变动范围。研究表明：土体持水状态与密实状态均对压实膨胀土吸力影响显著。相同密实状态下,吸力随持水程度的增大而降低,且变动幅度较大。相同持水状态下,吸力随密实程度的增大而增大。密实度小的试样吸力变化幅度大,密实度大的试样吸力变化相对平缓。在明确吸力变化规律的基础上,构建吸力–饱和度–孔隙比关系的本构方程,数值再现结果与模型预测结果均表明该方程能够有效描述压实膨胀土在可能密实状态与持水状态范围内的吸力变化规律。     

压缩过程中非饱和膨胀土体变特征与持水特性的水力耦合效应

土体压缩是岩土工程领域的基本问题。压缩过程中非饱和土的力学与水力学行为是同时发生且相互影响的,有必要统一考察体变特征与持水特性的水力耦合效应。为此,以荆门弱膨胀土为研究对象,开展土中水密度试验、饱和与控制吸力下的非饱和一维压缩试验,准确测量了压缩与卸荷回弹过程中孔隙比–重力含水率–吸力–竖向净应力关系,探讨了水力耦合状况下非饱和膨胀土的体变特征与持水特性规律,并建立相应本构描述。结论如下:1加载段,非饱和压缩曲线均发生明显转折,体现出屈服行为;随吸力增大,压缩曲线依次发生"穿越"现象;卸载段大体呈线性,其斜率随吸力增大而降低。提出能够描述干缩、压缩、卸荷体胀、屈服、压缩性与卸荷回弹性随吸力变化等行为的非饱和土体变方程,可直接用于分层总和法计算。2不同吸力下重力含水率变化存在较大差异;压缩至2941.8 k Pa时,不同吸力下含水率非常接近。吸力与竖向净应力对含水率变化的耦合影响可用3参数Logistic函数描述。3压缩过程中饱和度随竖向净应力增大而增大,卸荷过程中随竖向净应力降低亦增大。采用饱和度或重力含水率,对压缩过程中的水力路径会出现"湿化"与"脱湿"的不同判断,即水力耦合状况下土体表现出复杂的持水状态变化特征。     

非饱和土土水特征曲线特性研究

土水特征曲线是岩土工程界的热点问题。土水特征曲线是土的含水率或饱和度随基质吸力变化的一个特征曲线。饱和土是由气态、液态、固态三相比例指标组成。饱和土体土水特征曲线研究基本成熟,非饱和土体土水特征曲线特性研究还有不足。文章利用英国欧美GDS三轴仪测得围压值不变但基质吸力变化下的非饱和土土水特征曲线的试验数据,并绘制土水特征曲线,结果表明,基质吸力小于100 kPa,粘聚力与基质吸力是非线性增长,增长曲线逐渐变缓;基质吸力大于100 kPa,粘聚力与基质吸力呈线性增长。     

基于颗粒物质热动力学理论的非饱和土热水力耦合模型研究

基于颗粒物质热动力学理论和混合物理论,结合改进的土水特征曲线(SWCC)模型,考虑温度和饱和度变化引发的颗粒层次能量耗散,提出了一个非饱和土的热水力耦合模型。该模型引入颗粒熵和颗粒温度的概念,通过构建热力学恒等式得出非饱和土非弹性变形的本构关系,并通过迁移系数和能量函数模型将非饱和土体的耗散机制与宏观的物理力学行为建立联系。基于该理论模型,研究了非饱和土的热水力耦合问题,通过模拟结果与试验数据的对比,证实了模型的有效性。模拟结果表明,模型具有描述非饱和土在不同温度和吸力下的固结和剪切特性以及非等温条件下的热体应变特性的能力。     

法国鲁昂试验路堤与大气相互作用数值模拟

在土–大气相互作用的模型和计算方法的基础上,采用现场记录的气象数据,对法国鲁昂试验路堤中心轴线上的温度、体积含水量和吸力随气候的变化进行一维数值模拟,并与现场实测结果进行对比。数值计算模拟与现场实测结果的对比分析表明,计算所采用的模型是合适的,但需要设置合理的边界条件以及土性参数。另外,由于试验路堤的压实使得填土具有较低的渗透性（〈10-8 m/s）,因而该试验中大气降雨和蒸发对路堤含水量和吸力的影响主要局限于距离路堤表面一定深度范围内。     

考虑蒸发影响的非饱和土坡渗流分析

运用分形模型理论预测了粘土、粉土与砂土的土-水特征曲线与导水系数曲线。讨论了大气降雨-蒸发作用对非饱和渗流场的变化规律。在大气蒸发作用下,粘土边坡表层土体的负孔压逐渐增大。随着降雨入渗,粘土边坡坡脚处的土体首先达到饱和状态,并出现正孔隙水压。在降雨过程中,粉土边坡与砂土边坡的坡脚处,难以形成正孔隙水压。粘土边坡的实际降雨入渗量较小,且与土体的初始含水量、降雨类型、土体的导水系数等因素有关。非饱和土的实际蒸发量不等于其饱和状态时的土体蒸发能力。当土体达到饱和状态时,两值相等。实际蒸发量与潜在蒸发量的比值是土体表层基质吸力的函数。     

考虑非饱和土强度的边坡稳定分析方法及应用

总结了非饱和土强度理论的现状,探讨了利用土水特征曲线预测土体吸力的计算方法,提出以等效取力计入土体吸力,在常规的国 稳定计算中考虑降雨入渗的,通过实例计算,反映了边坡稳定性受降雨影响的变化过程。     

法国鲁昂试验路堤与大气相互作用数值模拟

 在土–大气相互作用的模型和计算方法的基础上，采用现场记录的气象数据，对法国鲁昂试验路堤中心轴线上的温度、体积含水量和吸力随气候的变化进行一维数值模拟，并与现场实测结果进行对比。数值计算模拟与现场实测结果的对比分析表明，计算所采用的模型是合适的，但需要设置合理的边界条件以及土性参数。另外，由于试验路堤的压实使得填土具有较低的渗透性(＜10－8 m/s)，因而该试验中大气降雨和蒸发对路堤含水量和吸力的影响主要局限于距离路堤表面一定深度范围内。     

考虑表观热工参数的木材热传导模型

为了研究火灾(高温)下木材的热响应,将木材热响应过程分为水分蒸发前、水分蒸发后热分解前和热分解后三个阶段。开展了升温速率为5、10、20K/min的泡桐木热重分析(thermogravimetric analysis, TGA)试验,采用Ozawa方法进行分析,得到相应的表观动力学参数。基于并联和串联模型分别建立了表观密度和表观导热系数表达式;基于差示扫描量热实验,考虑蒸发潜热和分解热,提出了表观比热容计算公式,建立了考虑表观热工参数的一维非线性热传导模型,并采用一维隐式有限差分法进行了木材热传导性能的求解,得到了木材的温度、水分蒸发程度、热分解程度、表观密度、比热和导热系数等热响应。开展了泡桐木单面受热试验,对温度场进行了测量。结果表明,基于动力学方法的Arrhenius方程可较好地描述水分蒸发和热分解过程,表观比热容在水分蒸发和热分解过程中明显增大,模型温度计算值和试验值吻合较好,该模型可为火灾(高温)下木结构的热响应研究提供参考。     

地埋管换热器周围土壤冻结温度场的模拟研究

考虑了未冻水质量分数对冻结土壤传热特性的影响,采用控制容积法建立了地埋管换热器周围土壤冻结温度场的数学模型,分析了土壤冻结对土壤物性参数和土壤温度分布的影响,探讨了不同液态水质量分数下土壤冻结温度场的变化。随着土壤温度的降低,冻结土壤的单位体积定压热容减小,热导率增大。由于土壤冻结过程中释放出相变潜热,考虑冻结计算出的土壤温度比未考虑冻结的土壤温度高,土壤中液态水质量分数越大,土壤冻结时释放的潜热量越大,有利于土壤源热泵的运行。     

高吸力下持水曲线的温度效应及其吸附热力学模型

以高庙子膨润土为例,对高吸力下持水曲线的温度效应进行了试验研究和理论分析。试验结果表明,在试验范围内,随着温度升高,吸力平衡时间会显著缩短,持水能力会下降,高吸力段内持水曲线的滞后性亦会减弱;不同温度下的持水曲线大致彼此平行。依据吸附热力学与Le Chatelier原理,分析认为土吸附水总会放热,高吸力段内持水能力随温度升高而减弱是一个必然现象;在吸附热不随温度变化及不同温度持水曲线彼此平行的条件下,建立了高吸力段内持水曲线的温度效应模型,利用本文及文献中报道的相关试验结果对模型在全吸力范围内进行了验证。     

被动式太阳能温室中传热与气流分布的数值分析

建立了被动式太阳能温室系统的热平衡方程和土壤热、湿迁移过程的理论模型，针对武汉市11月份的典型气候条件，采用数值模拟和实验研究了温室中土温、气温的变化规律；分析了温室北墙内表面采用不同材料或涂层时，对温室中气流和温度分布的影响。     

考虑水分影响的木材热解过程数学模拟

针对常见可燃物在典型火场情形中的热解行为提出了一种考虑水分影响的数学模型.模型采用了一阶阿仑尼乌斯热解动力学,考虑了固体内部瞬间传热过程、对流传热、热解过程的热效应,水分和挥发分流动等过程,模型揭示了热解木材中的温度、失重率和水分变化等重要特性.计算得到的结果和试验值吻合较好,通过对不同辐射,不同含水率下的木材可燃物热解过程的模拟计算,预测了木材在典型火灾环境中的热解行为.     

不同因素对地铁隧道围岩侧土壤温度场分布影响的模拟研究

以地铁隧道围岩土壤温度场分布为研究对象,上海某地铁站隧道内空气温度全年实测值为边界条件,利用CHAMPS-BES热湿耦合传递软件模拟地铁从新建到投入运营多年以后,不同因素(如土壤比热容、导热系数、密度及容积含水率等)对土壤温度场分布、温度场峰值、温度场厚度的影响。结果表明土壤热物性参数的变化对土壤温度场分布的影响明显;而且在确定的土壤热物性参数情况下,随着地铁运行年限的增长,土壤温度场峰值增大,温度场厚度增加。     

Surface heat budget on green roof and high reflection roof for mitigation of urban heat island

In this study, the surface temperature, net radiation, water content ratio, etc., of green roofs and high reflection roofs are observed. The heat and water budget are compared to each other. In the daytime, the temperature of the cement concrete surface, the surface with highly reflective gray paint, bare soil surface, green surface and the surface with highly reflective white paint are observed to be in descending order. On a surface with highly reflective white paint, the sensible heat flux is small because of the low net radiation due to high solar reflectance. On the green surface, the sensible heat flux is small because of the large latent heat flux by evaporation, although the net radiation is large. On the cement concrete surface and the surface with a highly reflective gray paint, the sensible heat fluxes have almost the same values because their solar reflectance is approximately equal. These tendencies of the sensible heat flux accord with the pitch relation of the surface temperature. Methods to estimate the quantity of evaporation, evaporative efficiency, heat conductivity, and thermal capacity are explained, and the observation data is applied to these methods.     

并联双U型桩基埋管换热器换热性能研究

本文建立了并联双U型桩基埋管换热器传热问题的三维数学模型,利用江苏某工程现场实测数据验证了所建立模型数值解的准确性。对不同循环液流速,不同桩基长度和不同运停比等工况下埋管出口水温,单位桩深换热量,桩周温度以及桩周土壤温度进行了分析,揭示了出口水温、单位桩深换热量等性能参数在不同工况下的动态变化规律以及桩身和周围土壤温度改变而产生的热堆积现象,提出了单位桩身温度变化换热量β1和单位土壤温度变化换热量β2,评价了不同工况对换热性能影响程度。结果表明,高流速可以增强换热,但高流速工况下为了产生更多的换热量而带来的代价是更高的桩身和土壤温升,不利于长期运行。长桩基长度工况和运停工况可以在有利于长期运行前提下提高埋管换热器的换热量,且运停工况对换热性能的提升更为明显。     

制冷工况下水平埋管换热器运行试验研究

通过夏季工况的地源热泵运行试验,对运行过程中水平埋管的换热性能参数、试验场地周围气象因素和换热过程中土体的温湿度变化等因素进行实时监测,探讨了地源热泵运行过程中水平埋管换热器热交换性能及其周围土壤的温、湿度场变化规律。研究结果表明,地源热泵间隙运行有利于土壤温度场的恢复,随着停机时间的增加,水平埋管与周围土壤的热交换能力明显提高;气候变化对水平埋管周围土壤的温度场分布具有显著影响,随着埋深的递减,土壤温度受气候变化的影响越明显;水平埋管周围土壤温度的变化幅度随着与埋管距离的增加呈递减趋势,其影响半径为1.0m左右;热交换对水平埋管周围土壤湿度场的影响不明显,但大气降雨引起的地表水入渗对土壤湿度场的分布具有显著影响。