温度梯度作用下非饱和盐渍土水盐迁移及变形特性研究
发布时间：2021-01-06 18:16
基于多孔介质理论以及连续介质力学原理,建立了温度梯度作用下非饱和盐渍土水-热-盐-力多场全耦合数学模型。该模型从固、液、气三相系统的质量、能量和动量三大守恒定律出发,考虑孔隙率演化、水体渗流、气体传输、盐分解吸-吸附效应、固体颗粒和孔隙流体可压缩性等因素的影响,更为准确地描述了非饱和盐渍土热质传输过程及其变形特性。此外,通过选取孔隙率、孔隙水压力、孔隙气压力、温度、含盐量和位移等基本未知量,并利用Comsol Multiphysics多物理场仿真软件对上述多场耦合过程进行了数值模拟。通过室内试验的实测结果对数学模型及模拟结果加以验证。结果表明,该模型可以较好地揭示非饱和盐渍土在温度梯度作用下的水、盐迁移机制和变形机制。同时,数值分析过程也进一步深化了对盐渍土水盐迁移及其变形特性的认识。对盐分吸附作用的研究也为进一步研究盐渍土的盐胀作用提供了理论准备。
【文章来源】：岩石力学与工程学报. 2020,39(10)北大核心
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
非饱和多孔介质示意图Fig.1Schematicdiagramofunsaturatedporousmedia土颗粒
捎弥厮芡粒?匝橥裂?∽愿仕嗍±?州市的粉质黏土，该土样干密度为1.51g/cm3，风干后含水率为0.17%。4.1.1试验设备及所需器材该土壤水、盐、热、位移多场耦合试验系统主要包括试验土柱、测量设备、控温设备(恒温冷浴)以及数据采集设备等，如图2所示。(1)试验土柱及其制备(a)试验设备实物图控温系统CKDC3006ˉ型程序控温低温恒温槽控温系统YCDC3006Eˉ型程序控温低温恒温槽温度、水分、位移传感器测量系统EY221型动静态数据采集仪电源设备EY221动静态测试分析系统数据采集系统(b)试验设备示意图图2试验设备实物图及其示意图Fig.2Physicaldrawingandschematicdiagramoftestequipment在室内进行Na2SO4盐渍土的配置，考虑到洗盐处理使土颗粒细化，黏性土颗粒增多，结构性发生变化[35]。因此，本试验直接在素土的基础上配置Na2SO4盐渍土。在制样过程中首先将风干后的土过2mm筛，并测量其含水率大校然后将土与配置好的Na2SO4溶液充分拌和，并放置在密闭容器中静置48h。随后在高度为35cm，内径为20cm的有机玻璃筒内分五次进行压样，通过SB手板式制样机将试验土样压制成高30cm，直径20cm的土柱。土柱下表面距离桶底2cm，上表面距离桶顶3cm。土柱侧壁预留有孔洞，用于埋设温度传感器、水分传感器以及为测量土壤总含盐量取少量土样，距冷端位置分别为4.5，14.5，24.5cm，如图3(b)所示。为了避免传感器之间因距离过短而相互影响，故土柱侧壁预留的孔洞沿径向方向上互成120°夹角，如图3(a)所示。(2)测量设备
第39卷第10期周凤玺等：温度梯度作用下非饱和盐渍土水盐迁移及变形特性研究21250.10.0－0.10.30.20.10.0x/mz/my/m0.10.0－0.1yxz图4数值模拟的有限元网格Fig.4Finiteelementmeshfornumericalsimulation根据试验条件，试样初始温度为20℃，初始含水率为7.00%，初始含盐量3.64%，初始孔隙率为0.42，初始孔隙气压力为101.325kPa。忽略水分、盐分以及温度在侧壁的通量，其他边界条件如表2所示。表2边界条件Table2Boundaryconditions变量名称孔隙水压力lP/kPa孔隙气压力gp/kPa溶解的盐分lpw/%温度T/℃顶端0101.325–15底端llwnSgh–3.0835如前所述，温度梯度作用下非饱和盐渍土水–热–盐–力多场耦合模型涉及大量的本构关系和计算参数。本文致力于能够准确的进行数值计算，并且较好地揭示非饱和盐渍土在温度梯度作用下的水、盐迁移机制和变形机制。因此，在此过程中对数学模型中所涉及到的部分参数利用室内试验进行确定，主要包括土水特征曲线、试样密度等相关的参数；另一部分参数由于试验设备的限制，通过查阅A.A.Abed等[10，15-17，19，26，30，35]进行确定。模型中各计算参数如表3所示。5成果分析与讨论在本文所研究的问题中，涉及到温度尝水分尝盐分尝位移场等多场的相互耦合作用。图5绘出了各场在不同时刻的空间分布状况。正是由于这种相互耦合作用，导致水分和盐分产生明显的迁移现象。水盐迁移过程中，也会携带着热量，在热对流、蒸发–凝结等作用下，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]非饱和土中热湿盐多场耦合过程分析[J]. 周凤玺,高国耀. 岩土工程学报. 2019(05)
[2]固化硫酸盐渍土水盐迁移的试验研究[J]. 吕擎峰,常承睿,马博,王生新,姜璐莎,赵本海. 岩石力学与工程学报. 2018(S2)
[3]粗粒盐渍土冻融作用下水盐迁移及力学性能研究[J]. 张磊. 当代化工. 2018(06)
[4]饱和度对多孔介质中热–水–力耦合响应的影响[J]. 郭志光,白冰. 岩土工程学报. 2018(06)
[5]考虑吸附-解吸效应的多孔介质中颗粒加速迁移问题解析解[J]. 陈星欣,白冰,蔡奇鹏. 岩土力学. 2015(06)
[6]黄土状盐渍土洗盐前后物理力学性质的变化[J]. 邴慧,武俊杰,邓津. 冰川冻土. 2011(04)
[7]多相流传输THM全耦合数值模型及程序验证[J]. 陈益峰,周创兵,童富果,井兰如. 岩石力学与工程学报. 2009(04)
[8]盐渍土的热力构型对水盐运移的影响研究[J]. 罗金明,许林书,邓伟,张晓平,杨帆,李秀军. 干旱区资源与环境. 2008(09)
[9]变热源强度温度荷载作用下非饱和土中的水分迁移规律研究[J]. 白冰,刘大鹏. 岩石力学与工程学报. 2006(S2)
[10]含盐量及含水量对氯盐盐渍土抗剪强度参数的影响[J]. 陈炜韬,王明年,王鹰,李姝,王玉锁. 中国铁道科学. 2006(04)
博士论文
[1]非饱和土水力全耦合模型与数值模拟方法研究[D]. 胡冉.武汉大学 2013
硕士论文
[1]硫酸盐渍土地区路基路面盐胀特性的室内大型试槽试验研究[D]. 苌亮.长安大学 2010
[2]硫酸盐渍土地区路基水、热、盐、力四场耦合机理及数值模拟研究[D]. 牛玺荣.长安大学 2006
本文编号：2961034
【文章来源】：岩石力学与工程学报. 2020,39(10)北大核心
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
非饱和多孔介质示意图Fig.1Schematicdiagramofunsaturatedporousmedia土颗粒
捎弥厮芡粒?匝橥裂?∽愿仕嗍±?州市的粉质黏土，该土样干密度为1.51g/cm3，风干后含水率为0.17%。4.1.1试验设备及所需器材该土壤水、盐、热、位移多场耦合试验系统主要包括试验土柱、测量设备、控温设备(恒温冷浴)以及数据采集设备等，如图2所示。(1)试验土柱及其制备(a)试验设备实物图控温系统CKDC3006ˉ型程序控温低温恒温槽控温系统YCDC3006Eˉ型程序控温低温恒温槽温度、水分、位移传感器测量系统EY221型动静态数据采集仪电源设备EY221动静态测试分析系统数据采集系统(b)试验设备示意图图2试验设备实物图及其示意图Fig.2Physicaldrawingandschematicdiagramoftestequipment在室内进行Na2SO4盐渍土的配置，考虑到洗盐处理使土颗粒细化，黏性土颗粒增多，结构性发生变化[35]。因此，本试验直接在素土的基础上配置Na2SO4盐渍土。在制样过程中首先将风干后的土过2mm筛，并测量其含水率大校然后将土与配置好的Na2SO4溶液充分拌和，并放置在密闭容器中静置48h。随后在高度为35cm，内径为20cm的有机玻璃筒内分五次进行压样，通过SB手板式制样机将试验土样压制成高30cm，直径20cm的土柱。土柱下表面距离桶底2cm，上表面距离桶顶3cm。土柱侧壁预留有孔洞，用于埋设温度传感器、水分传感器以及为测量土壤总含盐量取少量土样，距冷端位置分别为4.5，14.5，24.5cm，如图3(b)所示。为了避免传感器之间因距离过短而相互影响，故土柱侧壁预留的孔洞沿径向方向上互成120°夹角，如图3(a)所示。(2)测量设备
第39卷第10期周凤玺等：温度梯度作用下非饱和盐渍土水盐迁移及变形特性研究21250.10.0－0.10.30.20.10.0x/mz/my/m0.10.0－0.1yxz图4数值模拟的有限元网格Fig.4Finiteelementmeshfornumericalsimulation根据试验条件，试样初始温度为20℃，初始含水率为7.00%，初始含盐量3.64%，初始孔隙率为0.42，初始孔隙气压力为101.325kPa。忽略水分、盐分以及温度在侧壁的通量，其他边界条件如表2所示。表2边界条件Table2Boundaryconditions变量名称孔隙水压力lP/kPa孔隙气压力gp/kPa溶解的盐分lpw/%温度T/℃顶端0101.325–15底端llwnSgh–3.0835如前所述，温度梯度作用下非饱和盐渍土水–热–盐–力多场耦合模型涉及大量的本构关系和计算参数。本文致力于能够准确的进行数值计算，并且较好地揭示非饱和盐渍土在温度梯度作用下的水、盐迁移机制和变形机制。因此，在此过程中对数学模型中所涉及到的部分参数利用室内试验进行确定，主要包括土水特征曲线、试样密度等相关的参数；另一部分参数由于试验设备的限制，通过查阅A.A.Abed等[10，15-17，19，26，30，35]进行确定。模型中各计算参数如表3所示。5成果分析与讨论在本文所研究的问题中，涉及到温度尝水分尝盐分尝位移场等多场的相互耦合作用。图5绘出了各场在不同时刻的空间分布状况。正是由于这种相互耦合作用，导致水分和盐分产生明显的迁移现象。水盐迁移过程中，也会携带着热量，在热对流、蒸发–凝结等作用下，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]非饱和土中热湿盐多场耦合过程分析[J]. 周凤玺,高国耀. 岩土工程学报. 2019(05)
[2]固化硫酸盐渍土水盐迁移的试验研究[J]. 吕擎峰,常承睿,马博,王生新,姜璐莎,赵本海. 岩石力学与工程学报. 2018(S2)
[3]粗粒盐渍土冻融作用下水盐迁移及力学性能研究[J]. 张磊. 当代化工. 2018(06)
[4]饱和度对多孔介质中热–水–力耦合响应的影响[J]. 郭志光,白冰. 岩土工程学报. 2018(06)
[5]考虑吸附-解吸效应的多孔介质中颗粒加速迁移问题解析解[J]. 陈星欣,白冰,蔡奇鹏. 岩土力学. 2015(06)
[6]黄土状盐渍土洗盐前后物理力学性质的变化[J]. 邴慧,武俊杰,邓津. 冰川冻土. 2011(04)
[7]多相流传输THM全耦合数值模型及程序验证[J]. 陈益峰,周创兵,童富果,井兰如. 岩石力学与工程学报. 2009(04)
[8]盐渍土的热力构型对水盐运移的影响研究[J]. 罗金明,许林书,邓伟,张晓平,杨帆,李秀军. 干旱区资源与环境. 2008(09)
[9]变热源强度温度荷载作用下非饱和土中的水分迁移规律研究[J]. 白冰,刘大鹏. 岩石力学与工程学报. 2006(S2)
[10]含盐量及含水量对氯盐盐渍土抗剪强度参数的影响[J]. 陈炜韬,王明年,王鹰,李姝,王玉锁. 中国铁道科学. 2006(04)
博士论文
[1]非饱和土水力全耦合模型与数值模拟方法研究[D]. 胡冉.武汉大学 2013
硕士论文
[1]硫酸盐渍土地区路基路面盐胀特性的室内大型试槽试验研究[D]. 苌亮.长安大学 2010
[2]硫酸盐渍土地区路基水、热、盐、力四场耦合机理及数值模拟研究[D]. 牛玺荣.长安大学 2006
本文编号：2961034
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