城市固体废弃物的复合指数应力–应变模型及其应用

在大三轴固结排水剪试验研究的基础上,提出了城市固体废弃物(MSW)的复合指数应力–应变模型。该模型参数少且有明确的物理意义,既可反映MSW在小应变情况下的非线性变形特性,也可反映其在大应变情况下的明显应变硬化特性。采用有限差分程序FLAC内置的Fish语言将复合指数应力–应变模型耦合入FLAC程序,并通过三轴压缩试验数值模拟得到了验证。最后利用该模型分析了某填埋场在竖向扩建堆体荷载作用下的应力压缩沉降、侧向变形以及新老填埋场交界面处中间衬垫系统的应变。结果表明:复合指数模型的计算结果总体上位于莫尔–库仑模型和邓肯–张模型之间;中间衬垫系统的拉伸应变可能导致压实黏土层发生破坏。     

城市固体废弃物应力–应变模型研究

根据我国杭州市城市固体废弃物(MSW)的组成,在室内人工配置了MSW试样,采用静三轴CD试验研究了不同组成MSW在加载–卸载–再加载条件下的变形及强度特性。在三轴试验结果的基础上,分析了MSW应力–应变关系的特点,建立了双线性应变硬化模型,得到了包括卸载模量和泊松比在内的一套完整模型参数。研究表明,MSW的应力–应变关系受MSW组成及压实程度影响较大。采用有机物与无机物含量的比值作为垃圾组成的分类指标,有机物和无机物的比值较大时采用双线性模型更加符合实际情况;比值较小时,MSW的应力–应变关系表现出与一般土体相似的规律,可用双曲线模型表示。     

垃圾填埋场灾变过程的温度–渗流–应力–化学耦合效应研究

 针对当前垃圾填埋场灾变过程预测与控制的迫切需求,结合垃圾填埋场及其周围复杂而特殊的环境地质条件,从温度–渗流–应力–化学(T-H-M-C)多场耦合角度深入分析垃圾填埋场灾变过程的演化机制与开展多场耦合研究的必要性。提出填埋气体运移的微生物降解–温度–渗流(B-T-H)耦合模型、考虑好氧和厌氧微生物降解作用的垃圾渗沥液污染物迁移转化渗流–微生物降解–化学(H-B-C)耦合模型、复合衬垫系统污染物运移渗流–化学(H-C)耦合模型以及考虑热量变化和水蒸气迁移过程对开裂过程影响的填埋场封场覆盖系统干燥开裂温度–渗流–应力(T-H-M)耦合模型,为垃圾填埋场灾变过程的预测和安全性评价提供有效的分析手段。提出一套多场耦合测试分析方法与试验技术,开发集监测、控制与数据采集于一体的填埋场中污染物传输的多场耦合测试分析系统。形成一套填埋场污染物多参数远程同步监测方法与技术,研制集实时监测与视频监督于一体的垃圾填埋场污染物远程在线监督系统。针对多场耦合作用下封场覆盖系统开裂问题,提出新型环保的垃圾填埋场封场覆盖生态污泥腾发覆盖技术(EST)。上述研究成果可为垃圾填埋场灾变过程的预防与控制提供科学手段和技术支持,同时对于丰富和拓宽多场多相耦合理论的发展具有重要的理论意义和应用价值。     

基于椭圆–抛物双屈服面模型的砂–聚苯乙烯颗粒轻质填料应力应变分析

砂–聚苯乙烯颗粒轻质填料由工程细砂和聚苯乙烯颗粒按一定比例混合形成,有利于节省胶凝材料、降低土工填料附加应力和减小地基沉降,探讨该材料的应力应变关系对指导其工程实践变得尤为重要。基于椭圆–抛物双屈服面模型,推导了考虑轻质填料配比和围压特征的应力应变增量形式方程,结合轻质填料三轴固结排水剪切试验中的应力应变特性,分析了所推导的应力应变增量形式方程的合理性。研究发现,基于椭圆–抛物双屈服面模型的考虑轻质填料配比和围压特征的应力应变增量形式方程能较好地拟合材料偏应力–轴向应变–体变规律,能较好地反映材料的弹塑性、剪胀性和剪缩性,并结合轻质填土的变形机理给予相应解释。     

刚性单桩竖向循环加载模型试验研究

刚性桩在高铁低矮路堤加固中广泛应用。利用浙江大学大型地基与边坡工程模型试验系统,开展了饱和粉土地基中刚性单桩动力加载大比例模型试验,对不同静偏荷载及循环荷载组合作用下的桩基性状进行了研究。通过模型桩身安装的各类传感器,对桩顶累积沉降、桩身轴力、桩–土界面孔压及正应力变化进行了监测。试验发现,循环剪切会引起桩–土界面土颗粒重排,导致桩–土界面孔压及有效应力状态发生改变。循环荷载比 CLR 对桩基累积沉降、桩侧应力状态发展影响显著。根据试验结果,对累积沉降发展规律进行了归纳,分析并讨论了桩侧应力状态变化机理。     

库水位变化下滑坡渗流机制与稳定性分析

 基于非饱和土力学理论建立渗流场–应力场的流–固耦合计算模型,考虑土–水特征曲线与渗透特征,将孔隙水压力分布和非饱和土强度理论应用到极限平衡法中,并与有限元法结合,对库水作用下的三峡库区巫峡段龚家坊堆积层滑坡稳态–瞬态进行渗流、稳定性、应力应变的饱和–非饱和数值计算。采用Geo-studio软件中的Seep模拟库水对滑坡体作用及地下水位变化;并与Slope结合,进行极限平衡与流固耦合的稳定性计算;采用Sigma有限元分析方法进行非饱和非稳定渗流与应力–应变分析。揭示了孔隙水压力差的消散变化以及浸润线滞后库水的时间效应,水分在坡体内运移与土体变形相互影响的空间效应,表明水在坡体中起到了顶托、楔裂、促动的作用,坡顶张拉裂隙积水对稳定不利,前缘稳定,滑坡中后缘起着推移作用,是控制整体稳定的关键,体现了渗流–应力耦合作用下库区抗滑桩作用体系的防治效果。     

复杂裂隙岩体水–力耦合模型及溶质运移模拟

 在刚块弹簧法中引入非线性的裂隙本构关系,同时考虑裂隙法向的非线性应力变形关系、切向的剪切滑动以及剪胀效应,使得该方法可以较为真实地模拟裂隙开度在复杂应力作用下的变化。结合离散裂隙网络方法,建立采用隐式求解的复杂裂隙岩体的水–力耦合模型。该模型显式考虑裂隙存在,能很好地模拟裂隙网络在应力和渗流作用下的演化特征。在水力耦合达到平衡状态后,进行溶质运移分析,采用粒子追踪法模拟溶质在裂隙网络中随渗流的运移过程。根据所提出的模型编制相应程序,对DECOVALEX项目中的典型算例进行分析,研究不同应力条件对渗流以及溶质运移结果的影响以及不同应力条件下水力耦合的控制性机制。研究发现,低应力比条件和高应力比条件下对水力耦合作用起控制作用的分别是法向应力变形关系和剪胀效应。通过对比分析,验证模型的合理性。在此基础上,讨论高水头条件下考虑水力耦合效应的必要性。     

循环荷载作用下应力速率与应变速率不同步研究

 为深入研究循环加卸载作用下岩体的变形规律,针对三峡库区砂岩进行了56组循环加卸载试验。根据试验的不同步现象,对应力–应变滞后概念进行修正：(1) 应力超前于应变和应力滞后于应变现象共存,故将“应力–应变滞后现象”更名为“应力–应变不同步现象”更为合理;(2) 在应力–应变不同步现象的基础上,应考虑应力速率–应变速率的不同步现象。通过分析循环加卸载试验的不同步机制,提出应力–应变吸引点、应力速率–应变速率吸引点、应力–应变补偿机制和应力速率–应变速率补偿机制4个概念,并且得到：应力–应变同步与应力速率–应变速率同步不能同时出现;不同步现象是必然而同步仅存在于某一时刻点;应力–应变处于螺旋式循环递进的过程。基于循环加卸载试验,首次发现应力速率–应变速率不同步现象,在不同步现象中提出了3个不同步阶段的定义,并通过分析预测变形速率–实际变形速率、表观弹性模量以及岩样的瞬时泊松比随时间的变化规律,提出3种对不同步阶段定量判别的方法。此外,基于同频率不同峰值强度下试验得到,随着峰值强度 的增加,岩样的 值逐渐增加,式 吻合度也逐渐增加。     

考虑气相压力变化和偏应力影响的非饱和土本构模型

基于连续介质土力学的本构模型框架,提出了一个三轴应力状态下的非饱和土本构模型。与非饱和土中的双应力变量不同,根据非饱和土功的表达式,选择广义有效应力、修正吸力和气体压力作为模型的应力状态变量。模型中考虑了气相压力变化对土体变形的影响,给出了固–液–气三相耦合的本构方程。固相采用了非相关联流动法则,并在固相硬化方程中考虑了液相和气相的影响。液相方程利用土水特征曲线描述,并考虑了塑性体应变的影响。气相方程的建立利用了Boyle定律和Henry定律,给出了受固相和液相变形影响的气相方程。最后建立了非饱和土弹塑性增量方程。利用已有的试验数据对模型进行了验证,并将考虑气相影响与未考虑气相影响的预测结果进行了对比。     

城市固体废弃物应变硬化机制与强度参数确定方法

 通过对常规三轴仪进行改装,开展最大竖向应变达50%的城市固体废弃物(MSW)三轴剪切试验。试验表明：大应变条件下MSW试样发生破坏且其破坏应变随填埋深度增大而减小。通过组分分离得到MSW的基本相和加筋相,并对其分别进行三轴固结排水剪切(CD)试验,发现其应力–应变曲线均呈应变硬化型。在此基础上,对基本相进行筛分,并结合不同粒径粒组的微观结构阐述基本相中有机纤维体的存在形式及其加筋作用机制。进一步对各粒组进行CD试验,发现除粒径小于0.075 mm的粒组外其余粒组的应力–应变关系均表现为应变硬化。通过基本相灼烧前后的CD试验比较,发现有机纤维体在应变达到一定程度后才开始发挥加筋作用,且剪切过程中伴随着纤维体断裂以及纤维体与颗粒间滑移。最后,基于MSW的三轴剪切试验结果,分别对三轴固结不排水剪切(CU)试验和CD试验抗剪强度参数的确定方法进行探讨。     

Interplay between oxygen demand reactions and kinetic gas-water transfer in porous media

Gas-water phase transfer associated with the dissolution of trapped gas in porous media is a key process that occurs during pulsed gas sparging operations in contaminated aquifers. Recently, we applied a numerical model that was experimentally validated for abiotic situations, where multi-species kinetic inter-phase mass transfer and dissolved gas transport occurred during pulsed gas penetration-dissolution events [Balcke, G.U., Meenken, S., Hoefer, C. and Oswald, S.E., 2007. Kinetic gas-water transfer and gas accumulation in porous media during pulsed oxygen sparging. Environmental Science & Technology 41(12), 4428-4434]. Here we extend the model by using a reactive term to describe dissolved oxygen demand reactions via the formation of a reaction product, and to study the effects of such an aerobic degradation process on gas-water mass transfer and dissolution of trapped gas in porous media. As a surrogate for microbial oxygen reduction, first-order oxygen demand reactions were based on the measured oxidation of alkaline pyrogallol in column experiments. This reaction allows for adjusting the rate to values close to expected biodegradation rates and detection of the reaction product. The experiments and model consistently demonstrated accelerated oxygen gas-water mass transfer with increasing oxygen demand rates associated with an influence on the partitioning of other gases. Thus, as the oxygen demand accelerates, less gas phase residues, consisting mainly of nitrogen, are observed, which is in general beneficial to the performance of field biosparging operations. Model results additionally predict how oxygen demand influences oxygen mass transfer for a range of biodegradation rates. A typical field case scenario was simulated to illustrate the observed coupling of oxygen consumption and gas bubble dissolution. The model provides a tool to improve understanding of trapped gas behavior in porous media and contributes to a model-assisted biosparging.     

多相流传输THM全耦合数值模型及程序验证

 基于连续介质力学原理和混合体理论,导出多孔介质多相流THM全耦合数学模型。该模型从固、液、气三相系统的动量、质量及能量守恒出发,考虑应力–应变、水体流动、气体传输、蒸气传输、热能传输和孔隙率演化等6个过程的耦合作用,实现对相变、溶解、热驱动、湿度传输和吸湿膨胀等物理现象的模拟,确保THM耦合控制方程组的封闭性和协调性。该模型在THM耦合体系中纳入气体及蒸气传输过程,摒弃以往采用基质吸力和绝对温度定义相对湿度的传统方法,从而使描述介质气体和蒸气运移特性以及THM耦合特性的相对湿度在严格的物理意义上加以定义。通过选取位移、水压、气压、蒸气压、温度和孔隙率为基本未知量,建立有限元数值计算格式,研发三维八自由度多相流THM全耦合有限元程序THYME3D,并采用法国原子能委员会开展的膨润土THM耦合Mock-up试验对数值模型和计算程序进行验证,揭示试验过程涉及的多场耦合机制。研究结果深化对多相流THM全耦合控制方程组、本构关系及计算参数特性的理解,从而为进一步研究THMC全耦合问题奠定基础。     

单一组分与多组分城市生活垃圾孔隙率特性对比研究

在长期压缩条件下,城市生活垃圾孔隙率的变化规律不同于传统土力学中的土,垃圾孔隙率的变化同时受到生化降解和应力压缩的影响。基于城市生活垃圾可降解组分一阶动力学水解模型,分析建立了两种城市生活垃圾生化降解模型：单一组分生化降解模型和多组分生化降解模型。在生化降解模型和应力降解压缩模型基础上,提出了城市生活垃圾孔隙率计算模型。通过分析不同上覆应力（10,50,100,200,400,800 kPa）长期作用下的孔隙率变化,综合比较了不同生化降解模型以及垃圾组分和降解特性对孔隙率变化规律的影响。对于国内现阶段生活垃圾而言,多组分生化降解模型基础上预测的孔隙率变化规律与单一组分生化降解模型的分析结果一致,孔隙率随着长期压缩和降解的进行逐渐增加。然而,相比于单一组分生化降解模型,多组分生化降解模型更能反映垃圾组分及可降解组分降解能力对孔隙率变化规律的影响。     

DECOVALEX_IV TASK_D项目的热-水-力耦合过程的数值模拟

核废料地下处置系统研究的国际合作项目DECOVALEX(development of coupled models and their validation against experiments) 致力于高放射性核废料地质处置系统围岩中多个物理场的耦合过程研究和工程屏障的可行性评估.中国研究小组第一次参加DECOVALEX计划.介绍了其子课题Task_D的情况和阶段性研究结果,包括2种处置方式--瑞士FEBEX和美国Yucca Mountain类型的1×104 a以上的预测模拟及其比较分析.建立一套复杂的非饱和多孔介质中热液力(THM)耦合过程的非等温流动和形变控制方程,涉及到固、液、气三相和四种组分(固体骨架,水,干空气和水蒸汽).其表现为相对独立同时又相互交叠的4类模型(1) 考虑有效应力、热膨胀应力和膨润土的水膨胀应力变形模型;(2) 考虑水与蒸汽在蒸发凝结时物质交换的流动模型;(3) 包含蒸汽/干空气相对运动的蒸汽分子扩散和对流模型;(4) 三相局部非等温过程的热交换模型.在此基础上根据Task_D的设定要求简化为较为实用的方程,并发展了相应的程序对1×106 a THM耦合行为进行了预测模拟,其结果在2005年2月Task_D讨论会和DECOVALEX工作会议与多个国家相互独立的研究结果进行对比,吻合程度很高,这给模型的建立和程序发展都带来了信心.     

垃圾填埋场沉降变形条件下气-水-固耦合动力学模型研究

基于多孔介质流气–水–固耦合和微生物降解理论,建立描述这一复杂动力学行为的二维气–水–固耦合数学模型,并给出耦合模型的数值格式。通过数值仿真实现垃圾填埋体的变形沉降及气体产生和迁移演化过程的可视化,得到气体压力及产气量随填埋年份的变化规律。数值计算结果表明:填埋体内总应力及孔隙度的改变与垃圾降解变化规律一致;抽气过程使场内气体压力得到释放;由于沉降作用填埋场内水相饱和度有增大的趋势,其中底部变化较顶部明显;此外,气井产量的变化与气体迁移单相模型的计算结果基本吻合,验证耦合模型的可靠性,其研究成果为垃圾填埋场沉降控制与气体资源化利用提供技术支持和理论依据。     

非等温条件下煤层中瓦斯流动的数学模型及数值解法

根据瓦斯的吸附解吸规律和煤与瓦斯固流耦合作用的机理,建立了非等温条件下瓦充动的数学模型,并给出用有限元求其数值解的方法及程序。在此基础上,对不同温度下煤岩体应力和瓦斯压力的分布规律进行了数据模拟。     

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。     

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.     

Coupled fluid-flow and geomechanics for triple-porosity/dual-permeability modeling of coalbed methane recovery

A coupled fluid-flow and geomechanics model for simulating coalbed methane (CBM) recovery is presented. In the model, the fluid-flow process is simulated with a triple-porosity/dual-permeability model, and the coupling effects of effective stress and micro-pore swelling/shrinkage are modeled with the coupled fluid-flow and geomechanical deformation approach. The mathematical model is implemented with a finite volume method. First, a case without considering coupling between fluid-flow and geomechanics is simulated and compared with an existing simulator. The effects of coupled fluid-flow and geomechanics are then studied in detail with two illustrative examples. The first one is designed for testing the effective stress effect without micro-pore swelling/shrinkage effect, and the other for testing the coupling effects of the effective stress and micro-pore swelling/shrinkage on the methane production. The numerical results indicate that both the effective stress and the micro-pore shrinkage make a significant contribution to fluid-flow in CBM reservoir and to methane production. The methane production sensitivity to Young’s modulus and Langmuir sorption strain are investigated as well. Finally, we make a dynamic analysis of the coupling effects of fluid-flow process and geomechanics.     

Analysis of coupled gas flow and deformation process with desorption and Klinkenberg effects in coal seams

Coupled gas flow and solid deformation in porous media has received considerable attention because of its importance in pneumatic test analysis, contaminant transport, and gas outbursts during coal mining. Gas flow in porous media is quite different from liquid flow due to the large gas compressibility and pressure-dependent effective permeability. The dependence of gas pressure and gas desorption on gas permeability has a significant effect on gas flow, but has been ignored in most previous studies. Moreover, solid deformation has a direct impact on the porosity, which also leads to desorption or sorption of methane in the coal seam. In this study, a coupled mathematical model for solid deformation and gas flow is proposed and is implemented using a finite element method. The numerical code is used to solve the gas flow equation with Klinkenberg effect, and is validated by comparison with available analytical solutions. Then, it is used to simulate the coupled process during gas migration in a deformable coal seam. The numerical results indicate that the desorption and Klinkenberg effects and mechanical process effect make a significant contribution to gas flow in the coal seam. Without considering the desorption and Klinkenberg effects and the coupling action of mechanical process, the gas pressure in the coal seam would be underestimated.