冻土水热力耦合问题的理论分析
文献类型：学位论文
| 作者 | 赵淑萍 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-11-25 |
| 授予单位 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 授予地点 | 寒区旱区环境与工程研究所 |
| 导师 | 马巍 |
| 关键词 | 冻土水热力耦合问题 机理分析 理论模型 CT试验 损伤耗散势 |
| 其他题名 | Theoretical Analysis for Coupled Problem of Temperature, Moisture and Stress Fields in Frozen soil |
| 学位专业 | 岩土工程 |
| 中文摘要 | 现代冻土学研究的重要问题之一是外部环境作用下冻土的热学稳定性和力学稳定性，宏观上表现为土体的冻胀、融沉，细观上讲就是冻土内部结构或各组分之间相互作用的变化情况，即冻土的水热力三场耦合问题。国内外研究历史和现状显示，对于冻土的水热力耦合问题的研究还很欠缺，水－热耦合可以说有许多比较成熟的或好的方法，但是如何与力场进行很好的耦合，至今未能很好解决。一方面，由于冻土中水热力耦合问题十分复杂，且我们对这个问题的认识还不足，另一方面由于试验技术手段的限制，很难得到模型所需要的参数。本文试图从最基本的冻土三场耦合的基本概念出发，通过对冻土中水热力耦合机理的分析，理清大家对这一问题的模糊认识，然后构建出冻土三场耦合的理论框架，提出攻克的这一难题所需要解决的问题，最后通过先进的CT技术，给出适合已冻土的损伤势函数的具体形式，希望为力学本构方程的建立奠定理论基础，进而推动其它方面突破以完成这一国际前沿课题问题的解决。具体研究内容及主要结论如下： 1． 冻土水热力耦合作用的研究对象可归结为：已冻土、普通非冻土、融土、冻结相变区和融化相变区。冻土所处的环境变化称为边界条件，我们主要考虑热边界条件和力边界条件。边界条件作用下各类研究对象内部的水分场、温度场、应力场的相互影响、相互制约作用，称为冻土中的水热力耦合作用。单纯力边界条件下，研究对象必然是已冻土，此时，相对于应力场来说，水分场、温度场的变化十分微小，所以，应以考虑应力场的变化为主。无论是在单纯的热边界条件下，还是在热、力边界条件共同作用下，冻土中的响应都是十分复杂，水热力耦合作用明显，此时，土体不能作为均匀连续介质处理，而必须将土体划分为各单元体。从时间序列来看，各单元体在不同时刻处于不同的状态，如普通非冻土、冻结相变区、已冻土，所以应首先考虑各单元体内部的水热力耦合作用，从空间上看，试样由各单元体组成，单元体之间存在水分迁移、热量交换以及相互作用力，因此又要考虑各单元体之间的水热力耦合作用。 2． 在混和物理论框架下，构建了冻土的水热力耦合模型的基本场方程，通过热力学限制推导，得到耗散不等式，由此阐明冻土中存在的各种本构关系，并给出本构关系的一般处理方法。饱和冻土的耗散不等式包含应力的耗散部分和变形率张量之积，即力本构关系；温度梯度与热流矢量之积，即热本构关系；各相动量供给量和相对运动速率之积，即水本构关系；相变速率与化学势差之积，即水热本构关系。 3． 基于国内外对冻土水热力耦合问题的研究现状，剖析现有冻土模型对于本构关系的处理方法，指出其中所存在的问题和急需做的工作。现有冻土水热耦合模型中，直接写出热力学力和热力学流之间的线性唯象关系，代入场方程后，得到水分场方程和温度场方程，并通过扩展的Clapeyron方程以及未冻水含量与温度之间的经验关系将水分场和温度场方程耦合起来；力学本构模型中将已冻土作为整体材料来处理，通过改进经验性的屈服函数得到塑性耗散势函数表达式，或者直接给出损伤耗散势函数，最后将耗散势函数对热力学流求导而得到热力学力的演化方程；水热力耦合模型中，直接将水热耦合模型与力学本构模型综和起来，考虑水分场和温度场时用水热耦合模型，考虑应力场时用已冻土的力学本构模型。可见，现有水热力耦合模型在处理本构关系的过程中是存在不足的，因为水热耦合模型与力学本构模型的研究对象以及对于本构关系的处理方法都是不同的。 4． 要解决冻土的水热力耦合问题必须进行以下工作：(a)通过试验获取更全面的已冻土屈服函数和损伤耗散势函数，并验证正交流动准则和相关联流动准则的适用条件；(b)相变区内发生着最典型的含相变水热力耦合过程。现有的水热耦合模型可以使用，但仍需通过实验验证水分场和温度场方程推导过程中所使用的各种简化条件的可行性以及扩展Clapeyron方程、未冻水含量与温度之间的经验关系的适用条件，最关键的是借助细观试验手段研究冻胀应力和冻胀应变之间的本构关系；(c)通过试验获得相变区的厚度以及形成时间，以便确定单元体的大小和时间步长，通过冻胀应力计算各单元体之间的相互作用力，通过测量土水势，计算迁移水的量，以便建立各单元体之间的水交换关系。由于目前对于冻土耗散势的取法还没有统一的准则，现有的冻土模型就根据具体情况采取了不同的方法进行简化和近似，以便于工程应用，但是要真正解决冻土中的水热力耦合问题，最终仍然是要获取统一的耗散势函数，这就需要通过对问题进行分解，逐步解决(a)、(b)、(c)中提到的各个问题，这些问题既是相互独立的，但也是相互关联和制约的。由于此项工作的复杂性，可能需要不同学科的研究、技术人员共同协力，通过理论、方法、技术的创新，特别是测试手段的突破，才能在不久的将来完全攻克这一世界性难题。本文另一部分工作就是(a)中提到的、通过试验进行已冻土损伤耗散势研究。 5． 从损伤的原始定义出发，阐述了已冻土损伤的物理本质为冻土中各种联接作用的破坏。在改进了的与CT试验机配套使用的三轴试验仪的基础上，进行一系列的CT扫描试验，通过CT数定义损伤变量，根据CT扫描试验结果，获得损伤演化规律，从而推导出适合冻土的损伤势函数的具体形式。对于实验所用的冻结兰州黄土，损伤演化方程可表示为 ，损伤耗散势可表示为 。已冻土的损伤耗散势的建立方法和结果，为整个冻土水热力耦合问题的统一耗散势的建立提供了基础。一方面，改进后的CT实验机可以模拟有荷载限制条件下的冻结或融化过程，而CT数能够反映冻土内部的结构变化以及水和冰含量的变化。另一方面，我们可以借鉴现有已冻土的耗散势函数的研究方法，首先定义合适的、能够反映土体内部变化的各种内变量，然后通过实验获取这些内变量的演化方程，最后获取冻土水热力耦合问题的统一耗散势函数的形式。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-08-22 |
| 页码 | 109 |
| 源URL | [http://ir.casnw.net/handle/362004/21712]  |
| 专题 | 寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 赵淑萍. 冻土水热力耦合问题的理论分析[D]. 寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2008. |
入库方式： OAI收割
来源：寒区旱区环境与工程研究所
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