吉林西部盐渍土水热盐力多物理场耦合模型研究

发布时间：2017-03-22 15:10

  本文关键词：吉林西部盐渍土水热盐力多物理场耦合模型研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：吉林西部既属于盐渍土区,同时又是典型的季冻土区,冬季地表土体冻结时间长达5个月,这种特殊的地质环境与气候特征引起了冻胀、融陷、盐胀等工程病害以及土体盐渍化等环境问题。吉林西部盐渍土作为典型的多孔多相介质,土体内部固、液、热、盐、力等多物理场耦合问题是引起上述工程及环境的本质原因。多物理场相互作用的宏观表现即为土体内部的水分运移和盐分运移:水分运移可使土体内部结构改变从而发生冻胀进而引发一系列的工程问题,而盐分运移使得盐分在地表大量积聚进而引发土体次生盐渍化等环境问题。因此吉林西部盐渍土这种多孔多相介质内部水热盐力多物理场之间的相互作用是研究该区各种工程病害以及地质环境系统灾变演化机理的基础。本文通过研究得到如下几点结论:1.通过对吉林西部农安县敖宝图泡东南侧的旱地进行现场考察和采样,并进行了一系列的基本试验,可以得出:从物质组成来看,研究区土样在纵向方向上存在明显的分层现象,30cm以上的浅表层主要为粉质或含砂亚粘土,以下深度主要为粉质轻粘土,取样各深度粘粒含量均大于30%,且随着深度的增加,粘粒含量有逐渐增加的趋势。利用X射线分析法对矿物成分进行测试,土样主要以原生矿物石英、长石为主,占到总矿物含量的84%;次生矿物主要为高岭石、伊利石、伊蒙混层矿物,其中高岭石与伊利石的含量占到总矿物含量的13%,普遍高于伊蒙混层矿物。易溶盐测试结果表明:研究区取样点处各深度易溶盐总量均大于1%,其中地表含量最高为1.69%;各取样深度按含盐量分类均属于强盐渍土,按含盐类型分类属于弱碳酸盐渍土;易溶盐分量之中,阳离子主要为Na+,阴离子主要为SO42-、HCO3-和Cl-,其中Na+的含量非常高,其含量达到了0.38%,这对研究区土体的土水作用、分散性、崩解性都会产生一定影响。2.基于扫描电子显微镜(SEM)和压汞试验对研究区土体进行微观结构与孔隙特征研究,结果表明:该区粘土矿物的结晶程度较差,微观结构类型主要为团聚状结构,粘土矿物多呈面-面、边-边的方式排列;孔隙主要分布的孔径区间为6~30μm,不同深度大孔隙(4~40μm)含量占到40%~60%。对取样点土样进行了冻结温度测试试验,得到了初始含水率分别为20%、25%和30%的土样的冻结温度,并利用两点法对研究区土样的未冻水含量与负温的关系进行了预测。3.对研究区土样按照不同的密实程度制成85%、90%和95%三种不同的压实度的试验土柱,进行了直接法和冻结法水盐迁移试验,直接法水分迁移试验结果表明:三种不同压实度的土样在天然条件下(土体未冻结)由毛细水上升而引起的水分迁移高度很小,其中压实度为85%的试验管上升高度最高,为3.2cm。通过在一定温度梯度下冻结5天和90天水盐迁移量的对比,可得冻结5天三种不同压实度的土样水盐迁移量都很小;冻结90天后,底部40cm以下位置水盐迁移现象明显,水分迁移量随压实度的增大有减小的趋势,温度梯度对于水盐迁移影响显著。4.吉林西部既属于季冻土区,同时又分布着大面积的盐渍土,盐渍土在外界环境的影响下,内部的水分场、温度场、化学场和应力场之间相互关联、相互作用、相互影响,从而形成一个复杂的水动力耦合系统。在对研究区土样进行基本物理化学性质以及水热盐参数测定的基础上结合水分、热量、盐分的基本运移方程、质量连续性方程、能量守恒方程、平衡微分方程等相关理论建立了吉林西部盐渍土水热盐力(HTSM)耦合数学模型。5.利用COMSOL Multiphyscis数学模块中的PDE方程接口建立物理场对吉林西部盐渍土水热盐力(HTSM)耦合数学模型进行求解,并与室内水盐迁移试验结果进行对比,验证了模型的有效性。同时适当简化边界条件,设计了开放系统条件下饱和正冻土水盐迁移与相应的伴生现象的算例,并对土体内部水盐迁移的机理进行了分析。
【关键词】：吉林西部 盐渍土 多场耦合 数学模型 COMSOL Multiphyscis
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU448
【目录】：

• 中文摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 绪论14-27
• 1.1 选题依据及研究意义14-19
• 1.1.1 盐渍土概况14-16
• 1.1.2 季冻土概况16-17
• 1.1.3 选题依据和研究意义17-19
• 1.2 盐渍土研究进展19-21
• 1.3 多场耦合下水盐迁移研究进展21-25
• 1.3.1 水盐迁移的试验研究22-24
• 1.3.2 水盐迁移的理论模型24-25
• 1.4 研究内容及技术路线25-27
• 第2章 吉林西部农安地区盐渍土基本性质27-53
• 2.1 研究区自然地理概况27-29
• 2.2 野外取样调查29-30
• 2.3 研究区土样的物质组成30-34
• 2.3.1 粒度成分30-33
• 2.3.2 矿物成分33-34
• 2.4 基本物理化学性质34-41
• 2.4.1 物理性质35-36
• 2.4.2 易溶盐成分和含量36-38
• 2.4.3 有机质38-39
• 2.4.4 PH值39-40
• 2.4.5 阳离子交换容量40-41
• 2.5 土样结构特征41-47
• 2.5.1 基于SEM的微观结构分析41-43
• 2.5.2 基于压汞试验孔隙分布特征分析43-47
• 2.6 未冻水含量47-51
• 2.6.1 未冻水的定义47
• 2.6.2 未冻含水量的影响因素47-48
• 2.6.3 土中水的冻结过程48-49
• 2.6.4 未冻水的测定方法49-51
• 2.7 小结51-53
• 第3章 吉林西部盐渍土水盐迁移试验研究53-64
• 3.1 温度势对水盐迁移的影响53-54
• 3.2 试验用土的选定及性质54-55
• 3.2.1 试验土样的基本物理化学性质54
• 3.2.2 土样击实试验54-55
• 3.3 水盐迁移试验研究55-59
• 3.3.1 直接法水分迁移试验56-57
• 3.3.2 冻结法水分迁移试验57-59
• 3.4 水盐迁移试验结果59-63
• 3.4.1 直接法水分迁移试验结果59-60
• 3.4.2 冻结法法水盐迁移试验结果60-63
• 3.5 小结63-64
• 第4章 吉林西部盐渍土水热盐力（HTSM）耦合数学模型的建立64-83
• 4.1 数学模型的基本假定65-66
• 4.2 盐渍土中多物理场相互作用的过程66-67
• 4.3 水热盐力耦合模型的建立67-81
• 4.3.1 冻土的组分及基本参数表达67-68
• 4.3.2 水分运移方程68-72
• 4.3.3 热量传输方程72-73
• 4.3.4 溶质运移方程73-75
• 4.3.5 力的平衡方程75-77
• 4.3.6 土冻结过程的伴生现象77-81
• 4.4 水热盐力耦合方程81-82
• 4.5 小结82-83
• 第5章 模型的求解与验证83-100
• 5.1 求解偏微分方程的一般方法83-84
• 5.2 COMSOL Multiphyscis的求解原理84-87
• 5.2.1 PDE接口介绍84-86
• 5.2.2 求解的弱形式86-87
• 5.3 模型的求解87-93
• 5.3.1 前处理87-88
• 5.3.2 参数与变量的确定88-90
• 5.3.3 物理场设定90-91
• 5.3.4 求解结果对比91-93
• 5.4 算例分析93-99
• 5.4.1 算例设定93-94
• 5.4.2 结果分析94-99
• 5.5 小结99-100
• 第6章 结论100-103
• 6.1 结论100-101
• 6.2 展望101-103
• 参考文献103-108
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果108-109
• 致谢109

【参考文献】

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