可降解土體BCHM耦合模型研究.pdf

1、可降解土體是指土體中的固相顆粒會在外部環(huán)境作用下會出現(xiàn)質(zhì)量損失、顆粒破碎的現(xiàn)象，引起孔隙率和顆粒組構(gòu)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致主體的土工特性及參數(shù)改變。常見的可降解土體有填埋場中高有機(jī)質(zhì)含量的城市固廢、土石壩中可侵蝕顆粒以及農(nóng)田中石灰性土壤等。可降解主體的可降解特性導(dǎo)致其在多場耦合問題中變得尤為復(fù)雜。以填埋場為例，與普通土工構(gòu)筑物中的多場耦合相比，填埋場還需要考慮生化降解對多場耦合的影響，主要體現(xiàn)在兩方面:(1)由于固廢中可降解有機(jī)質(zhì)降解的影響，

2、固廢的土工特性會隨著降解程度不同而變化;(2)由于降解產(chǎn)生的水、氣、液相溶質(zhì)等物質(zhì)也會作為源相參加到水氣運移和溶質(zhì)遷移等運動中?；诖?，本文在原有的多場耦合研究基礎(chǔ)上，重點研究了多組分氣體運移過程，以及降解過程對于模型參數(shù)的影響，主要內(nèi)容和研究成果包括:
　　(1)基于填埋場中氣體涉及生化反應(yīng)的情況，本文建立了考慮多組分氣體運移的氣相運移控制方程，并基于前人對多場耦合中其他過程的研究，給出了可降解土體的生化降解-骨架變形-水氣運移

3、-溶質(zhì)遷移(BCHM)多場耦合模型，并界定了模型中涉及的土工特性及參數(shù);
　　(2)基于已有的顆粒級配曲線描述函數(shù)，本文從顆粒組構(gòu)以及孔隙比出發(fā)，建立了固有滲透系數(shù)、相對液相/氣相滲透系數(shù)、體相擴(kuò)散/液相溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)、努森擴(kuò)散系數(shù)以及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與顆粒級配曲線和孔隙比之間的關(guān)系，并對已有的土水特征曲線與顆粒級配曲線和孔隙比的關(guān)系進(jìn)行了改進(jìn)。通過改變顆粒級配曲線描述函數(shù)中的特征參數(shù)得到不同降解程度下的顆粒級配曲線，進(jìn)而得到不同降解程

4、度下的土工特性及參數(shù)。利用該預(yù)測模型，本文首先對不同降解模式下的各個土工參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行的分析。同時，以某填埋場為例，對不同齡期固廢的土水特征曲線、固有滲透系數(shù)、相對液相/氣相滲透系數(shù)進(jìn)行了預(yù)測，并與試驗實測結(jié)果比對，結(jié)果顯示土水特征曲線、相對液相/氣相滲透系數(shù)的預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果較為接近，固有滲透系數(shù)預(yù)測結(jié)果偏大于試驗結(jié)果。
　　(3)基于可降解土體多場耦合模型和可降解主體土工特性及參數(shù)預(yù)測方法，建立了可降解土體多場耦合模型，

5、并給出了求解方法。以典型中國城市固廢為研究對象，采用可降解土體多場耦合模型，利用數(shù)值分析軟件OpenGeoSys和Matlab，分別研究了降解速率、土工特性及參數(shù)隨降解變化以及初始狀態(tài)對填埋體的影響。計算結(jié)果表明，生化降解速率越快，沉降發(fā)展、氣體逸出速率和滲濾液下滲速率越快;若不考慮降解過程對應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響，會導(dǎo)致預(yù)測的沉降量小，飽和度偏低;若不考慮降解對主水特征曲線的影響，會低估固廢的降解程度;若不考慮降解過程對固有滲透系數(shù)的影響

6、，會低估固廢的飽和度。初始孔隙比越小，初始基質(zhì)吸力越小，固廢降解速率越快。
　　(4)為研究填埋場覆蓋層氣相污染物遷移規(guī)律，將本文多場耦合模型中的生化降解、骨架變形、孔隙水運移以及溶質(zhì)遷移等過程忽略，退化至多組分氣體運移模型。利用該模型分析了不同有效二元擴(kuò)散系數(shù)、不同頂部邊界下達(dá)到穩(wěn)態(tài)時覆蓋層氣體組分分布。結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)下各組分氣體分布形式與有效氣體二元擴(kuò)散系數(shù)和頂部邊界氣體組分密切相關(guān)，對頂部邊界氣壓大小不敏感。為研究考慮固結(jié)下