非饱和土中热湿盐多场耦合过程分析

以多孔介质理论为基础研究了非稳态条件下非饱和土中温度–水分–盐分多场耦合问题。考虑到非饱和土中孔隙被液态水、溶解的盐分、水蒸气和干燥气体等填充,在质量和能量守恒的基础上获得了非饱和土中水分、气体、盐分的质量守恒方程以及能量守恒方程。考虑一维非稳态问题,选取温度、孔隙气压、孔隙水压和含盐量以及其梯度作为状态变量,得到问题的状态方程组。利用Laplace变换将时域上的状态方程转换到频域上,在给定的边界条件下,采用打靶法求解该强耦合的非线性变系数微分方程组。基于Hausdorff矩问题的稳定化算法将频域上的数值解转化到时域上,通过与已有的试验结果相比较,验证了模型的有效性。基于数值算例与参数,分析了压力梯度、温度梯度、孔隙率等条件对非饱和中温度场、水分场和盐分场分布的影响规律。     

薄板在周期热流作用下的热响应(Ⅰ):温度响应

基于具有热流延迟相的双曲型热传导方程,研究了薄板在周期热流作用下的温度响应。首先采用分离变量法,求解了以热流矢量为基本未知量的热传导方程,得到了板内热流场分布,然后再利用能量守恒方程,获得了板内温度响应的解析表达式。通过计算,分析了板内温度响应随不同热流矢量延迟相以及边界热流频率的变化趋势,并与经典的Fourier热传导方程所得到的结果进行了比较。结果表明,在高频热流加热下,双曲型热传导模型所给出的温度响应与经典的Fourier热传导模型具有显著的差别。     

薄板在周期热流作用下的热响应(Ⅱ)-变形响应

考虑高频周期热流作用下引起传热过程的非Fourier效应,基于线性热弹性理论和经典的薄板理论,建立了周边简支矩形板在动态温度场下的控制方程,利用Nowacki方法和Navier级数解法求解得到了相应的拟静态变形和考虑惯性动力项作用的动态变形的解析表达式。通过算例,分析讨论了非Fourier效应、热流频率及惯性项对薄板变形的影响。     

盐渍土冻结过程中的特征温度研究

盐渍土在降温冻结过程中出现过冷温度和冻结温度两种特征温度,分别表示在降温过程中孔隙溶液中晶核形成和孔隙溶液与冰晶共存时的临界温度,对判断土体的冻结状态有着重要的意义.首先,通过不同含盐量的土体冻结试验,得到了相应的过冷温度和冻结温度;然后,基于热力学与经典成核理论给出了盐渍土冻结过程中的两种特征温度的理论计算模型,并与...     

基于强度折减法和冻融界面理论的块石护坡铁路路基稳定性分析

为进一步明确气候转暖情景下多年冻土区块石护坡铁路路基边坡在块石荷载作用下的稳定 性,文章基于块石气冷路基模型计算得到温度场,通过Ｓｕｒｆｅｒ及ＡｕｔｏＣＡＤ软件后处理后得到含冻融界面 的几何模型。将其导入有限元数值计算软件,分别赋予不同土层随温度变化的力学参数,采用匹配了 Ｍｏｈｒ－Ｃｏｌｕｍｂ准则的Ｄ－Ｐ准则下的强度折减法,分别计算了高温多年冻土区块石护坡在运营第５年、 ２０年和５０年时的安全稳定系数。结果表明:不考虑冻融界面情形下,路基边坡潜在破坏模式为路基内 部整体破坏;而考虑冻融界面情形下,路基边坡潜在破坏模式为黏性土处冻融界面处局部破坏。最后, 通过与之前学者的研究结果对比,发现考虑冻融界面情形下,路基边坡安全系数与路基热稳定性呈正相 关,计算结果较为合理。     

非饱和重塑Q_2和Q_3黄土的渗水特性研究

随着西北大开发战略的实施,工程中涉及的Q2黄土及其重塑土日益增多。为了研究非饱和重塑Q2黄土的渗透特性及其和Q3黄土渗透特性的差异,对重塑Q2和Q3黄土分别做了4个干密度的水平土柱入渗试验;采用MP-406水分计及数据采集系统量测不同断面处体积含水率随时间的变化情况。实验研究结果表明:相同干密度的重塑Q2和Q3黄土渗水特性存在较大差异。在相同饱和度情况下,重塑Q3黄土扩散率大于重塑Q2黄土,并且随着饱和度的增大这种差异逐渐减小。不管是重塑Q2黄土还是Q3黄土,饱和度达到0.6左右时,扩散率近似由两条直线段组成;对于重塑Q3黄土,当饱和度低于0.6时,干密度的不同对扩散率影响不大;当饱和度高于0.6时,扩散率存在较大差异;但对于重塑Q2黄土,此规律不明显。     

多孔介质中晶体的结晶压力分析

孔隙溶液中结晶体产生的结晶压力是多孔材料宏观上形成介质变形、冻胀破坏的重要因素之一。以溶液–晶体的化学势平衡为基础,考虑了溶液中的粒子相互作用,分别对以过饱和比为驱动的盐分结晶体和以温度为驱动的冰结晶体进行了理论分析,建立了非理想溶液中晶体对孔壁产生的最大结晶压力模型,并对溶液的冰点温度进行了分析。以NaCl溶液和Na2SO4溶液为例,分别对不同浓度和不同温度下的盐、水结晶压力及冰点温度进行了参数分析。结果表明:对于盐分结晶体,其结晶压力与溶液的过饱和比、溶液活度以及结晶盐的类型密切相关;对于冰晶体,其结晶压力与环境温度以及溶液的活度相关。     

饱和盐渍土的一维蠕变试验与模型研究

饱和盐渍土中土颗粒和孔隙盐溶液间相互的物理化学作用对土体的力学行为有较强的影响,使得盐渍土表现出不同的变形特性。为了能够准确地描述饱和盐渍土的这种相互作用,首先采用常规固结试验和恒载蠕变试验对通过蒸馏水、硫酸钠溶液和氯化钠溶液饱和后的重塑土样进行了试验研究。试验结果显示：盐渍土和非盐渍土的固结蠕变存在明显差异,此类现象会随着含盐量的增加而更加明显;而同含盐量的硫酸盐渍土和氯盐渍土的固结蠕变效应也不尽相同。其次,基于Yin-Graham一维蠕变方程,利用Pitzer离子相互作用模型和Van't Hoff渗透吸力方程,通过引入有效渗透应力,建立了饱和盐渍土的一维蠕变理论模型。最后,将改进的理论模型与试验数据进行了对比分析。结果表明,所提出的理论模型不仅能够描述饱和盐渍土中化学力学耦合,而且可以有效地预测一维蠕变行为。     

饱和盐渍黏土弹塑性行为的试验及理论研究

为了研究孔隙溶液种类和浓度、超固结程度对饱和黏土应力–应变曲线和剪胀行为等力学性能的影响,开展一系列控制含盐条件和超固结比(OCR)的三轴压缩试验。试验结果指出,孔隙盐溶液的成分和浓度的变化会改变黏土的超固结程度、变形能力、剪胀比和临界状态线斜率,但对弹性模量的影响较小。因此,为了模拟饱和盐渍黏土的弹塑性行为,在UH模型的基础上建立一个新的化学弹塑性模型。该模型考虑渗透吸力对黏土力学特性的影响,可用于刻画不同含盐条件下饱和黏土的应力–应变行为。新模型首先借助等效应力的概念明确渗透吸力的贡献,给出饱和盐渍黏土的化学弹性理论。然后,借助渗透吸力推导饱和盐渍黏土的屈服面、硬化模量、应力–剪胀方程和本构关系。研究发现随着渗透吸力的增加,饱和盐渍黏土的屈服面在三维应力空间中变得愈加“矮胖”,超固结程度逐渐减弱,剪胀比也逐渐增大。此外,通过模型对不同渗透吸力下饱和盐渍黏土试验结果的模拟和对比分析验证模型的普适性和预测能力。     

温度梯度作用下非饱和盐渍土水盐迁移及变形特性研究

基于多孔介质理论以及连续介质力学原理,建立了温度梯度作用下非饱和盐渍土水-热-盐-力多场全耦合数学模型。该模型从固、液、气三相系统的质量、能量和动量三大守恒定律出发,考虑孔隙率演化、水体渗流、气体传输、盐分解吸-吸附效应、固体颗粒和孔隙流体可压缩性等因素的影响,更为准确地描述了非饱和盐渍土热质传输过程及其变形特性。此外,通过选取孔隙率、孔隙水压力、孔隙气压力、温度、含盐量和位移等基本未知量,并利用Comsol Multiphysics多物理场仿真软件对上述多场耦合过程进行了数值模拟。通过室内试验的实测结果对数学模型及模拟结果加以验证。结果表明,该模型可以较好地揭示非饱和盐渍土在温度梯度作用下的水、盐迁移机制和变形机制。同时,数值分析过程也进一步深化了对盐渍土水盐迁移及其变形特性的认识。对盐分吸附作用的研究也为进一步研究盐渍土的盐胀作用提供了理论准备。