非饱和土的热-水力-力学本构模型及数值模拟

在CAP模型的基础上提出了一个非饱和土的热 -水力 -力学本构模型 ,着重考虑了温度对于非饱和土的水力 -力学性质的影响。基于实验结果和前人的工作 ,在模型中重现了热软化现象 ,计及了温度升高导致土壤前固结压力的降低和非饱和土吸力增加屈服线 (SI)中临界吸力值的降低。应用该模型进行了数值模拟计算 ,通过模拟结果和实验结果的比较 ,验证了模型的适用性和可靠性。     

多孔介质中化学–热–水力–力学耦合过程本构模型和数值模拟

本文发展了一个多孔介质中的化学–热–水力–力学(CTHM)耦合本构模型。该模型基于文献[1]中多孔介质热–水力–力学(THM)本构模型、文献[2,3]中的污染物传输本构模型和文献[4]提出的化学–力学本构模型。在本构模型中引入化学软化函数以模拟孔隙水中有机污染物对多孔介质力学性质的影响。考虑了温度对污染物传输机制的影响。本文CTHM耦合本构模型已在多孔介质的热–水力–力学–污染物传输数学模型中建立。在CTHM本构模拟框架中对计及化学塑性效应、描述在热–水力–污染物传输耦合作用下多孔介质力学行为、在应力–吸力–温度四维空间中包含了五重屈服面的耦合本构模型发展了一致性切线模量矩阵。数值结果突出显示了污染物浓度在多孔介质化学–热–水力–力学(CTHM)耦合系统中的影响。     

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。     

广义位移法在土-结构相互作用问题分析中的应用

对目前土 -结构相互作用的有限元法数值建模中的若干不足进行了评述。通过深入分析土 -结构相互作用的力学机制 ,指出 :在相互作用体系中 ,由于两者之间悬殊的刚度 ,接触界面上公共节点的位移将受到结构本身变形性态的影响 ,在假设接触界面变形协调的前提下即是要求这些点的位移都应服从结构体变形的位移模式 ;因此 ,土 -结构相互作用整体有限元数值模拟的关键在于如何较好地反映由于土中结构体刚度条件而导致的、对周围土体变形所施加的一种约束条件。针对桩 /板筏与地基土的两类土结构相互作用问题 ,根据梁、板的工程弹性理论分别建议了桩 /筏基础结构的广义位移模拟方法。     

三维水-土耦合模型在深基坑降水计算中的应用

在广泛分析前人有关本课题研究资料的基础上，对三维水-土耦合模型在深基坑降水计算中的应用进行了研究，并以武汉市中山广场地下过街通道降水工程为例，对其降水过程进行了三维有限元计算。通过对该工程的三维有限元分析表明，三维数值模拟方法能够很好地模拟基坑降水中防渗帷幕、非均质和各向异性等一系列解析法难以处理的实际工程条件。因此，在深基坑降水及其引起地面沉降的计算中，运用数值模拟方法具有重要的现实意义。     

裂隙岩体中力学-渗流-传输耦合离散元模拟

深部地下工程包括增强型地热系统、核废料的地下处置、CO₂地下封存、煤炭地下气化等,都涉及到复杂的水-力-化多场耦合过程。全面理解力学过程影响下的溶质(如放射性核素)传输过程是以上各类工程成功建设和安全运行的重要理论基础。本文基于离散裂隙网络模型的思想,采用离散元方法来模拟应力-渗流耦合过程,而溶质传输过程则用粒子追踪法(Particle tracking algorithm)来进行模拟。溶质传输机理主要考虑了单岩石裂隙中的平流(Advection)、弥散(Hydrodynamic dispersion)以及原岩-裂隙之间的扩散(Matrix diffusion)。结果显示,力学过程对溶质传输过程有着显著影响,会明显改变溶质在裂隙网络中的停滞时间、传输路径和位置分布等。当水力梯度较小时,原岩-裂隙之间的扩散过程将是溶质在裂隙网络中停滞时间的决定性因素。     

非饱和膨胀土-桩界面大型剪切试验与本构模拟

目前对于膨胀土-桩接触面的研究较少,没有合适的接触面本构模型能够考虑土体含水率对接触面的影响,为揭示含水率影响下的膨胀土-桩接触面的强度特性以及在剪切过程中的剪胀性,对膨胀土-桩接触面开展不同含水率的大型直剪试验。试验结果表明,不同含水率和法向压力下的接触面剪切强度曲线均呈现硬化的特性,接触面法向位移均呈现先剪缩,达到相变状态后再发生剪胀,最终趋于临界状态的现象。提出了一个接触面弹塑性硬化本构模型,并将所提出模型通过Fortran语言编写为ABAQUS有限元软件的UINTER子程序,并对试验结果进行了应力-应变模拟,合理地再现了含水率对桩-土界面力学行为的影响规律。     

非饱和砂土及黏土的水-力耦合双屈服面模型

使用精细的本构模型来同时分析非饱和砂土和黏土水力耦合特性依旧是一个挑战。提出了一种包含加载湿陷及剪切滑移双重塑性机制的水-力耦合模型。力学模型中选取Bishop应力作为应力变量,采用孔隙比和有效饱和度作为状态变量。模型中给出了孔隙比-平均土骨架应力的半对数坐标系内依赖于有效饱和度的临界状态线的表达式,其与剪切滑动屈服面的非关联流动准则的结合保证了模型可以更合理地预测非饱和土（包括砂土和黏土）的剪胀和剪缩性质。通过模拟粉砂和高岭土的三轴试验,对该模型预测非饱和土主要特征的能力进行了分析。     

黏土垫层水力–力学–化学耦合模型研究

在城市固废堆场建造运维、污染场地土壤、地下水围封阻隔等环境岩土、污染防治领域中,均会涉及到土体力学行为、孔隙水流动以及污染物运移之间的耦合作用问题。将土体的固结变形分为由力学荷载引起的力学固结变形及由化学荷载引起的化学–渗透固结变形,引入广义达西定律,并考虑土体物理特性和输运性质的动态变化,通过理论推导建立了适用于堆场黏土防渗垫层的水力–力学–化学耦合模型,模型最大的特点是实现了土体固结变形、孔隙流体流动与污染物运移过程之间的全耦合,各模型参数均能够体现耦合效应的影响。采用多场耦合有限元分析软件COMSOL Multiphysics对所建模型进行数值验证和求解,模拟结果表明:所建模型可从机理上描述水力–力学–化学全耦合过程,模拟结果与Peters和Smith模拟结果吻合较好,能够正确揭示超孔隙水压力、污染物浓度时空分布及土体固结变形的演化规律。     

关于土石坝心墙水力劈裂研究的一些思考

从发生条件、力学机理、试验研究和数值模拟等方面对土石坝心墙的水力劈裂问题进行了初步探讨。研究结果表明：（1）其发生条件至少包括物质条件和受力条件两个方面；（2）力学机理可以从断裂力学的角度进行揭示，判别准则可以基于断裂力学的理论建立；（3）试验研究中试样的边界条件和受力状态能够近似模拟心墙上游面的实际情况；（4）在弄清水力劈裂的发生条件、力学机理的基础上，通过试验研究建立合理的水力劈裂判别准则,对水力劈裂的发生发展过程进行数值模拟，是研究水力劈裂问题的有效途径。     

Organic acid transport through a partially saturated liner system beneath a landfill

A one-dimensional model was developed to investigate the transport of organic acids (commonly found in landfill leachate) through a partially saturated composite liner system beneath a landfill. Specific attention was paid to the influence of water content distribution on aqueous-phase diffusion process. Composite liner system was investigated, which was consisted of a geomembrane and a compacted clay liner underlain by three kinds of attenuation layer: sand layer, sandy clay loam layer, and clay layer. Volumetric water content profile in soil layers was obtained by Van Genuchten model, and the Millington and Quirk model was employed to describe the non-linear relationship between volumetric water content and diffusion coefficient. Three cases were analyzed and compared, i.e., totally saturated condition, unsaturated condition without considering unsaturated diffusion model, and unsaturated condition considering unsaturated diffusion model. The numerical results show that the unsaturated sand attenuation layer could serve as excellent diffusion barrier to organic contaminant due to its low water retention capacity. When the dependence of diffusion coefficient on volumetric water content is sufficiently considered, the contaminant flux decreases significantly in all the three kinds of attenuation layer. Unsaturated diffusion model capturing the relationship between water content and diffusion coefficient enables a more reasonable prediction of contaminant transport and distribution in soils.     

红粘土微观结构模型及其工程力学效应分析

根据物质系统的结构功能原理,探讨了红粘土微观结构模型的构建方法,提出红粘土微观"集粒"结构模型。采用该模型对红粘土在含水量、含铁量、剖面位置等影响因素的变化和外荷载作用下的工程物理力学特性进行了理论分析、解释和推测。通过剖面分层控制取样进行室内三轴压缩试验对理论分析结果进行验证,由拟合曲线得到红粘土的相对最佳含水量、临界含水量和临界含铁量,并与相关模型试验、数值模拟结果和工程经验进行对比分析。理论分析和试验结果表明,红粘土力学特性与含水量、含铁量相关程度高,模型能够从微观角度合理解释红粘土的宏观工程力学性质,较好地反映红粘土宏观工程力学效应的微观物理力学机理。     

粘土岩饱和-非饱和渗流应力耦合模型及数值模拟研究

岩体中饱和-非饱和渗流、应力耦合行为对工程岩体的强度和稳定性有十分重要的影响。基于粘土岩实验室非饱和渗流试验的结果，将考虑塑性应变硬化的非饱和渗流、应力耦合模型、Hoek—Brown非饱和渗流、应力耦合模型应用于模拟某粘土岩竖井，研究其在开挖、通风、衬砌支护及长期运营期围岩内渗流从初始饱和→非饱和→近饱和的过程，以及竖井的非饱和流动区域大小对水力学参数（Biot固结系数、饱和度与毛细孔隙压力、水相的相对渗透系数与饱和度）的敏感性。结果表明：水力学参数对非饱和渗流的影响区域非常显著，尤其是水相的相对渗透系数与饱和度的关系。力学模型的差异对非饱和区的影响几乎可以忽略不计。     

粘土岩饱和–非饱和渗流应力耦合模型及数值模拟研究

岩体中饱和–非饱和渗流、应力耦合行为对工程岩体的强度和稳定性有十分重要的影响。基于粘土岩实验室非饱和渗流试验的结果,将考虑塑性应变硬化的非饱和渗流、应力耦合模型、Hoek-Brown非饱和渗流、应力耦合模型应用于模拟某粘土岩竖井,研究其在开挖、通风、衬砌支护及长期运营期围岩内渗流从初始饱和→非饱和→近饱和的过程,以及竖井的非饱和流动区域大小对水力学参数(Biot固结系数、饱和度与毛细孔隙压力、水相的相对渗透系数与饱和度)的敏感性。结果表明:水力学参数对非饱和渗流的影响区域非常显著,尤其是水相的相对渗透系数与饱和度的关系。力学模型的差异对非饱和区的影响几乎可以忽略不计。     

冻土中气态水迁移及其对土体含水率的影响分析

现有文献几乎尚未系统分析冻结条件下气态水对不同土性含水率的影响。基于热力学平衡理论及水热耦合理论,提出了未冻水含量和冰体积分数的计算方法,建立起新的耦合模型。该模型中最大未冻水含量和冰体积分数仅与水力参数和温度有关,具有明确的物理意义,与砂壤土的冻结试验结果对比也验证了新模型。模型分析结果表明:冻结条件下的气态水迁移主要受温度势而非基质势的作用,粉土和砂土中的气态水迁移是不能忽略的,而黏土中几乎没有气态水迁移;初始体积含水率、冻结温度、冻结时间及地下水位高度等都会对气态水的迁移有影响。总的来说,气态水对于粉土等冻胀敏感性土,即使较小的水分增加仍然能够产生显著冻胀,因此实际工程必须重视气态水的作用。本文分析加深了对"锅盖效应"的理解,也验证了"锅盖效应"通常发生在覆盖层下的粉土区域,而非砂土或黏土。     

An analytical solution for contaminant extraction from multilayered soil using PVD-enhanced system

Prefabricated vertical drains (PVDs) have been employed to enhance the in situ remediation of contaminated fine-grained soils. Subsurface heterogeneity can interfere with the distribution and extraction of contaminants during the remediation process. In the present study, an analytical solution for contaminant extraction from multilayered soil using a PVD-enhanced system is developed based on an equivalent planar two-dimensional model. The analytical solution is derived using a procedure that combines the Laplace transform, eigenfunction method and numerical Laplace inversion. The validity and accuracy of the solution are verified by comparison with an existing analytical solution and the results obtained using a numerical model. The effects of several key parameters on the performance of a PVD remediation system in a triple-layered contaminated soil are evaluated. The results indicate that the remediation efficiency for clay layers decreases with increasing hydraulic conductivity or thickness of the sand layer. The PVD remediation system may be unfeasible for contaminated sites with high subsurface heterogeneity caused by permeability contrast. The remediation process for clay layers can be accelerated by increasing the clay vertical dispersivity.     

火灾下钢管混凝土柱受热分析模型

建立火灾下钢管混凝土柱的受热分析模型以便于在抗火分析和防火设计中应用。首先基于传热学的基本理论确定了火灾下钢管混凝土柱与火场的热交换过程,然后根据能量守恒原理和热力学理论确定了钢管混凝土柱截面内的导热过程,推导了有限差分形式的截面温度场计算的基本方程,最后编制了数值计算程序来模拟钢管混凝土柱截面内的温度场。分析模型中重点考虑了水分和接触热阻对截面温度场的影响。数值程序的计算结果与试验结果符合得较好。     

污染物运移过程的一维数值分析

考虑填埋场中固体废弃物的生物降解效应和含水层中土颗料对污染物的吸附性,在有限深度条件下基于对流、弥散和地球化学反应等污染物运移机理,提出了填埋场污染物运移过程数值模拟的一维计算模型。进而采用半解析方法进行数值求解,通过变动参数比较分析确定了控制填埋场污染物运移过程的主要参数。具体数值计算表明:污染物在含水层中运移浓度将于某一特定时间达到峰值,随后逐渐降低。粘土垫的厚度及其渗透性、压缩粘土垫层与含水层的吸附能力是填埋场污染物运移的重要近控制参数。