飽和正凍土水熱力耦合模型的改進(jìn)及其擴(kuò)展有限元解法.pdf

1、西部廣大寒區(qū)的眾多工程凍害問(wèn)題本質(zhì)上是多孔多相介質(zhì)帶相變的固、液、氣、熱耦合問(wèn)題,而凍土工程多場(chǎng)耦合問(wèn)題是凍土力學(xué)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)之一。本文以本課題組建立的飽和正凍土溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)和變形場(chǎng)三場(chǎng)耦合構(gòu)架為基礎(chǔ),在系統(tǒng)剖析了模型在理論構(gòu)建及實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中不足的基礎(chǔ)上,結(jié)合凍土力學(xué)最新研究進(jìn)展及工程應(yīng)用需要,對(duì)模型進(jìn)行了進(jìn)一步完善:
　?、僭黾恿丝紤]溫度影響的粘彈性本構(gòu)關(guān)系;
　?、谕ㄟ^(guò)考慮水體的可壓縮性增加了模型對(duì)準(zhǔn)飽和凍土的適

2、應(yīng)性;
　　③進(jìn)一步考慮了凍土凍結(jié)融沉過(guò)程中水分遷移引起的對(duì)流傳熱、粘彈性耗散、熱力耦合耗散對(duì)能量方程的影響;
　　④針對(duì)耦合過(guò)程由于相變導(dǎo)致材料分區(qū)界面不斷移動(dòng)的特點(diǎn),結(jié)合計(jì)算力學(xué)最近進(jìn)展,引入了擴(kuò)展有限元進(jìn)行耦合模型解析的新方法,編制了帶相變傳熱問(wèn)題的擴(kuò)展有限元程序及(準(zhǔn))飽和正凍土水熱力耦合模型擴(kuò)展有限元分析程序。
　　本文的主要研究成果:
　　(1)通過(guò)引入動(dòng)態(tài)內(nèi)變量應(yīng)變速率ε&(或應(yīng)力變化速率σ&)與溫

3、度變化速率T&構(gòu)成的耗散勢(shì),建立了凍土骨架考慮溫度影響的粘彈性本構(gòu)關(guān)系,并將新的本構(gòu)關(guān)系納入到飽和正凍土水熱力耦合模型中?；谛碌谋緲?gòu)模型,正凍土凍融過(guò)程中凍土骨架的體積變形,剪切變形及熱力耦合均可引起熱耗散現(xiàn)象,進(jìn)行影響變形場(chǎng)、水分場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布。
　　(2)通過(guò)將凍土體的變形分為由外荷載引起的變形及溫度梯度引起的變形(水分遷移,熱脹冷縮效應(yīng)、冰水相變引起體積膨脹、溫度及壓力變化引起水體密度的變化)兩類(lèi),根據(jù)多孔多相介質(zhì)理論,建

4、立起了外載及溫度共同作用下凍土骨架的質(zhì)量守恒方程。
　　(3)通過(guò)考慮土體各相的熱傳導(dǎo)、凍土骨架(冰)粘彈性耗散和熱力耦合耗散,凍土骨架熱脹冷縮、冰水相變及負(fù)溫下水分遷移引起的熱對(duì)流等主要因素,建立起多種因素相互作用、相互影響的(準(zhǔn))飽和正凍土能量守恒方程。
　　(4)結(jié)合實(shí)測(cè)凍土工程相變溫度場(chǎng)的特點(diǎn),引入了采用擴(kuò)展有限元求解凍土工程帶相變瞬態(tài)傳熱溫度場(chǎng)的方法,編制了帶相變傳熱問(wèn)題的擴(kuò)展有限元程序,并通過(guò)與經(jīng)典一、二維Ste

5、fan問(wèn)題的解析解的對(duì)比,驗(yàn)證了本文分析方法的正確性、合理性與先進(jìn)性。
　　(5)借鑒大型有限元Final的基本思想,設(shè)計(jì)了耦合模型擴(kuò)展有限元分析程序中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及控制結(jié)構(gòu),結(jié)合耦合模型的特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了凍土工程三場(chǎng)耦合模型分析平臺(tái)。針對(duì)經(jīng)典室內(nèi)凍脹實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)及前人的研究成果進(jìn)行全面的、系統(tǒng)的檢驗(yàn)與驗(yàn)證分析,驗(yàn)證了所開(kāi)發(fā)分析程序的合理性與先進(jìn)性。利用建立耦合模型及開(kāi)發(fā)的程序?qū)η逅哟髽驑痘M(jìn)行了水-熱-力耦合分