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)的眾多工程凍害問題本質(zhì)上是多孔多相介質(zhì)帶相變的固、液、氣、熱耦合問題,而凍土工程多場耦合問題是凍土力學(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、水分場和變形場三場耦合構(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;
　　②通過考慮水體的可壓縮性增加了模型對準(zhǔn)飽和凍土的適

2、應(yīng)性;
　　③進(jìn)一步考慮了凍土凍結(jié)融沉過程中水分遷移引起的對流傳熱、粘彈性耗散、熱力耦合耗散對能量方程的影響;
　?、茚槍︸詈线^程由于相變導(dǎo)致材料分區(qū)界面不斷移動的特點(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)通過引入動態(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,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。基于新的本構(gòu)模型,正凍土凍融過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、水分場及溫度場分布。
　　(2)通過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,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)測凍土工程相變溫度場的特點(diǎn),引入了采用擴(kuò)展有限元求解凍土工程帶相變瞬態(tài)傳熱溫度場的方法,編制了帶相變傳熱問題的擴(kuò)展有限元程序,并通過與經(jīng)典一、二維Ste

5、fan問題的解析解的對比,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),開發(fā)了凍土工程三場耦合模型分析平臺。針對經(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發(fā)的程序?qū)η逅哟髽驑痘M(jìn)行了水-熱-力耦合分