含相变低温岩体水热耦合模型研究

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1、第27卷第7期谭贤君，等.含相变低温岩体水热耦合模型研究•7•含相变低温岩体水热耦合模型研究谭贤君，陈卫忠，贾善坡，吕森鹏(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉430071)摘要：根据冻融循环条件下岩体水分运动和热量迁移的基本规律，基于连续介质力学、热力学以及分凝势理论，建立低温岩体温度场和渗流场耦合控制方程，该耦合方程不仅考虑了热传导、相变潜热和渗流速度对温度分布的影响，而且分析了由分凝势引起的孔隙水流动对渗流速度以及渗透压力分布的影响，实现了温度场和渗流场的双向全耦合。并将研究成果与M.Smith等的模型试验和现场试验进行对比分析，结果表明，所建立的耦合控制方

2、程计算结果与实测结果吻合较好。在此基础上，应用此耦合模型数值仿真寒区隧道，对隧道温度场分布规律和冻融圈大小进行分析，该计算结果能为寒区隧道的设计和施工提供一定的参考。关键词：岩石力学；冻岩；相变；水热耦合；耦合模型中图分类号：TU45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2008)07–1455–07ACOUPLEDHYDRO-THERMALMODELFORLOWTEMPERATUREROCKINCLUDINGPHASECHANGETANXianjun，CHENWeizhong，JIAShanpo，LUSenpeng(StateKeyLaboratoryofGeomechanicsand

3、GeotechnicalEngineering，InstituteofRockandSoilMechanics，ChineseAcademyofSciences，Wuhan，Hubei430071，China)Abstract：Accordingtothebasiclawsofwatermovementandheatmigrationaboutrockmassunderthefreezing-thawingcondition，basedonthetheoryofcontinuummechanics，thermodynamicsandsegregationpotential，thecoupled

4、equationsofseepagefieldandtemperaturefieldareestablished.Thismodelcannotonlyconsidertheinfluenceofthermalconduction，latentheatandseepagevelocityonthedistributionoftemperature，butalsoanalyzetheeffectofwaterflowinducedbysegregationpotentialontheseepagevelocityandseepagepressure.Toverifythereliabilitya

5、ndrationalityoftheequations，thecomparisonisdonebyusingthesameconditionsbetweenthemodeltestwhichwasdonebyM.Smithandthefiniteelementanalysisusingthiscoupledmathematicalmodel.Thenthemodelisappliedtoacoldregionaltunnel，andthedistributionoftemperatureandactiveringofpermafrostareobtained.Theresultscangive

6、somereferencesfordesignandconstructionoftunnelincoldregions.Keywords：rockmechanics；frozenrock；phasechange；hydro-thermalcoupling；coupledmodel第27卷第7期谭贤君，等.含相变低温岩体水热耦合模型研究•7•1引言地球上多年冻岩(土)、季节冻岩(土)和瞬时冻岩(土)区的面积约占陆地面积的50%。我国是寒区面积分布最多的国家之一，永久性冻岩(土)和季节性冻岩(土)面积约占全国陆地总面积的75%。随着我国在寒区建设工程日益增多，出现了大量的冻第27卷第7期谭贤君，等

7、.含相变低温岩体水热耦合模型研究•7•岩(土)问题。岩体的冻胀除受原位水冻结膨胀外，水分不断向冻结锋面迁移、聚集并结晶成冰透镜体，是造成岩体冻胀的主要来源[1]。因此，体的冻胀问题归根结底为冻岩中的水热迁移问题。从20世纪50年代后期至今，众多学者[2～6]对水热迁移问题进行了比较深入的分析和研究，并提出了多个水、热耦合计算模型[7～10]，成功地解决了寒区岩体工程水、热耦合问题。但现有模型中仅考