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热-气-水-力耦合作用下非饱和土固结渗流机理与模型研究

批准号:
42102308
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
赵林爽
依托单位:
学科分类:
工程地质学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵林爽

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
考虑热-气-水-力耦合作用的非饱和土固结变形机理是应对低碳新能源开发和核废料安全处置面临的突出岩土工程问题,但现在没有一套系统的方法用于分析考虑温度场耦合作用的非饱和土固结变形。本项目拟通过研究热-气-水-力耦合作用的影响,建立一套系统的考虑超静孔隙水压与超静孔隙气压初始分布、时变边界、时变荷载的非饱和土一维、轴对称、二维平面应变固结模型。采用室内试验、理论推导、多物理场耦合数值分析、现场实测资料验证等研究方法,解决如下关键科学问题:1)揭示考虑温度场耦合作用的非饱和土固结过程中气液时空运移规律;2)建立考虑温度场耦合作用的非饱和土固结与土体热膨胀变形之间的关系,提出相应的非饱和土变形计算公式。研究成果可以弥补在温度场耦合作用下非饱和土变形研究缺乏的现状,为低碳新能源开发与核废料安全处置过程中的非饱和土变形问题提供科学依据与理论支撑。
英文摘要
The Thermo-Air-Hydro-Mechanical coupling effect in the consolidation of unsaturated soils is the key geotechnical problem in the development of low-carbon new energy and safety disposal of nuclear waste. However, no comprehensive methods exist for predicting the consolidation of unsaturated soils given the thermal coupling effect. Considering the Thermo-Air-Hydro-Mechanical coupling effect, this research aims to obtain a series of solutions for the one-dimensional, axisymmetric, and two-dimensional plane strain consolidation models of unsaturated soils associated with the initial excess pore pressure distributions, time-dependent semi-permeable boundaries, and time-dependent loading. By using the methodologies, such as, laboratory experiments, theoretical derivation, numerical analysis on basis of multi-physics coupling, and validation using field measurements, the following key scientific problems will be solved: 1) to reveal the tempo-spatial flows of the air and water phases during the consolidation process of unsaturated soils considering the Thermo-Air-Hydro-Mechanical coupling effect; 2) to establish mathematical relationship between the consolidation deformation and the soil expansion considering the coupled temperature field, and to propose the corresponding formulas for predicting the deformation of unsaturated soils. The research outcomes could supplement the consolidation theory of unsaturated soils considering the coupled temperature field and provide scientific basis and theoretical support for predicting the consolidation of unsaturated soils during the development of low-carbon new energy and safety disposal of nuclear waste.
在地热资源开发、能源桩基工程以及核废料处置库等地下工程领域,持续的温度变化对周围非饱和土层的影响尤为突出。这种温度变化不仅会改变土体的物理化学性质,还会影响其力学行为,进而对地下构筑物的变形特征和长期安全稳定性产生深远影响。非饱和土固结在这一过程中扮演着至关重要的角色。深入研究非饱和土在温度变化条件下的固结行为,对于预测地下构筑物的变形、评估其长期稳定性以及制定相应的工程防护措施具有重要的理论和实践意义。本研究以揭示多场共同作用的非饱和土固结渗流机理,建立非饱和土固结过程中超静孔压的时空运移控制方程为目标,主要有以下研究进展。(1)针对现有理论方法结果复杂,难以被工程人员应用的问题,建立了饱和土–非饱和土统一的固结解析解,揭示了多工况下非饱和土层中的超静孔隙水压力和气压力的消散规律。(2)针对现实工程中,由于细颗粒土运移过程中在边界的淤积,地质夹层,地表植被的蒸腾作用等,非饱和土固结过程中边界条件往往为半渗透的特征,本研究提出了多工况边界条件对非饱和土固结过程的影响模型,并获得简便解析方法,并综合分析了边界条件与初始超静孔隙压力分布耦合作用对整体非饱和土层的影响。(3)针对实际工程中能源桩能源交换过程中非饱和土层受到循环温度荷载的问题,本研究分析了外界荷载与温度变化共同影响下非饱和土固结机理,研究了超静孔隙水压力和超静孔隙气压力的时空变化规律特征,并且获得相应的解析解。本研究提出的多场共同作用的非饱和土固结模型可以分析多种工况下的超静孔隙水压力和气压力时空运移规律,为地下构筑物周围的非饱和土层固结变形计算提供了理论依据。
多场共同作用下污染物迁移与衬垫层固 结耦合机理与模型研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    赵林爽
  • 依托单位:
国内基金
海外基金