土体水热力耦合问题研究综述.doc

《土体水热力耦合问题研究综述.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、土体水热力耦合问题研究综述1引言岩土工程中，人们很早就注意到许多诸如儿个场耦合作用的复合问题，例如在地下矿产开采中遇到的岩体中的水被排出或注入时流体和固体的相互作用；在地下开采通风中必须考虑的瓦斯扩散与流场的相互作用；山坡由于连续降雨入渗导致滑坡的研究中也必须考虑由于空隙压力作用而导致固体应力状态改变的问题。地表浅层土体是工程活动的主要对象，由丁•受到气候及土体自重和其它附加荷载的影响，土体中的温度场、水分场、应力场合位移场均是变化的，而且相互影响。木文基丁地表浅层土体水分场、温度场、应力场和位移场的相互影响，对水热力耦合问题在不同土体的研究进行了阐述。土体中的温度变化会引起

2、水分迁移使含水量变化，含水量的变化乂会引起土的导热系数、比热容发生变化，从而影响传热过程及温度分布，温度引起土体冻融相变还会使水分向冻融界面运移，水分运移过程中会携带热量使温度分布发生变化，应力场合位移场的变化可使土体冻融温度、孔隙比、孔隙水压力发生变化，从而影响温度场合水分场分布；同样，温度场和水分场分布的变化导致土体冻融状态、含水量的变化乂会对应力场和位移场产生影响。因此，研究浅层土体水（水分场）、热（温度场）、力（应力场合位移场）问题时，必须考虑其相互作用，进行水热力耦合研究。2土体水热力耦合模型土体水热力耦合模型本质上是计算过程考虑三者的相互影响，土体水热力参数及变量

3、的确定很大程度上决定模型模拟的结果，水热力耦合作用机理性研究是确定水热力耦合参数及变量的前提。由于水热力耦合作用机理性质的研究不足，冃前确定水热力耦合参数及变量时对三者间的相互影响考虑不足，导致计算时虽采用的是水热力耦合模型，但计算过程却并非水热力耦合计算。冃前，己经提出了多个水热力耦合模型，采用温度场、水分场、丿应力场和变形分析的有限元程序进行迭代计算也可实现三者的耦合计算。水热力耦合作用机理性研究是多方面的，例如：探索温度、密度和含水量影响下的水分迁移规律及考虑温度、密度和含水量的水分迁移参数和齐个水势分量的确定方法；探讨温度和含水量对土体应力和变形参数和强度指标的影响规

4、律；探讨密度、含水量、M力水平对热参数的影响；开展受水热影响的气态水迁移问题研究等冃前，通过水热力耦合作用机理性研究确定水热力耦合参数及变量，是现时进行水热力耦合研究的中心问题。3水热力耦合问题研究领域路基、岸坡、沟渠、市政等方而土体丁程，设计应满足强度和变形耍求，这需要确定土体应力场和位移场，但应力场和位移场不仅受到温度和水分场的影响,也影响着温度和水分场的分布。因此，基于水、热、力耦合，研究确定土体应力场和位移场是工程建设的需耍。水热力耦合问题研究在冻土、黄土、膨胀土、供热工程等领域均有重要意义。3.1水热力耦合问题在冻土中的研究在我国东北、华北、西北等地区广泛分布着季节

5、冻土；在东北大、小兴安岭、西部高原和青藏高原等地分布着多年冻土，多年冻土是指冻结状态持续三年以上的土层，面积约215万km2,It中青藏高原多年冻土区面积为149万km?,占我国国土总而积的70%。为了保证安全，在这些地区进行开发，必须对影响冻土一工程安全的冻胀融沉问题进行深入的研究。在土体冻结过程中，因土中液态水相变体积增大，同时，因土中孔隙水和外来补给水向冻结界面迁移冻结形成冰晶或冰夹层等，引起土体体积增大，产生冻胀现象。当大气温度升高使冻结土体温度变为正温时，土中的冰消融，出现融沉现象，液态水的增加使土体强度显著降低，还可导致水分迁移发生。冻结融沉过程是水热力相互影响、

6、同步变化的过程，冻融变形时水热变化的表现，乂时刻影响着水热变化。因此，需耍对冻土工程水热力耦合问题进行深入的研究，考虑三者间的相互影响,模拟水热动态，掌握冻结融沉过程，从而正确预估冻融的危害。3.2水热力耦合问题在膨胀中的研究膨胀土是在环境湿度及土中含水量明显发生变化的情况下表现出显著胀缩特性的特殊粘土，分布范围很广。由于膨胀土具有显著的吸水膨胀和失水收缩的变形特性，建造在这些地区膨胀土地基的构筑物，随季节性气候的变化会反复不断地产生不均匀的升降。膨胀土分布地区年降雨量的大部分集中在雨季，旱季延续时间较长，表层膨胀土受降用、蒸发及温度影响，土中水分处丁•剧烈的变动中。构筑物的

7、修筑改变了土温分布和蒸发入渗条件，使土体含水量出现不均匀分布，含水量的不均匀分布导致胀缩变形的不均匀，这是膨胀土地区构筑物出现病害的根本原因。对病害的调查资料表明，表层膨胀土由于太阳辐射的影响处于随时间变化的不稳定的地热场内，膨胀土上的轻型建筑物的竖向位移随地温梯度变化呈周期性的上升和下降，建筑物向阳面的病害较阴面严重。因此，水热力三者均是影响膨胀土地区构筑物安全的重要因索，考虑三者的相互影响而进行水热力耦合研究，对于预测膨胀土的膨胀收缩变形，保证工程安全是重要的。3.3水热力耦合问题在黄土中的研究黄土