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凍土水-熱-力三場耦合機理及本構關系 版權信息
- ISBN：9787030688644
- 條形碼：9787030688644 ; 978-7-03-068864-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
凍土水-熱-力三場耦合機理及本構關系 內容簡介
本書針對凍土本構及其水-熱-力耦合機理進行研究，是一本比較全面的凍土力學參考書籍。本書系統地介紹了凍土基本力學性質和特點，以及相關理論與數值模擬研究方法。全書共7章，內容包括緒論，凍土力學模型及本構問題，基于內時理論的凍土本構模型，凍土屈服面與屈服準則的研究，土的凍脹融沉機理分析，土體凍融過程中的溫度場、水分場、應力場研究，以及凍土水-熱-力三場耦合數值模擬。 本書可作為工程地質、土木工程、自然地理、工程力學等相關專業本科生和研究生的參考書目，也可作為對寒區工程、凍土力學感興趣的科研人員和工程技術人員的技術讀物及參考書。
凍土水-熱-力三場耦合機理及本構關系 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 研究對象和目的 1
1.2 凍土基本力學性質及特點 3
1.3 凍土的熱質與水分遷移及其凍脹理論 5
1.4 凍土的水-熱-力耦合作用概述 7
第2章 凍土力學模型及本構問題 9
2.1 引言 9
2.2 凍土的彈性本構關系 9
2.2.1 基于細觀力學的凍土彈性本構關系 10
2.2.2 凍土的損傷本構關系 11
2.3 飽和凍土的本構關系框架 16
2.4 小結 17
第3章 基于內時理論的凍土本構模型 18
3.1 引言 18
3.2 凍土非彈性特征的內時本構模型 20
3.2.1 內時應力-應變方程 20
3.2.2 考慮溫度和應變率影響的內時應力-應變模型 21
3.3 理論和試驗數據比較 23
3.3.1 試驗數據 23
3.3.2 內時常數的確定 23
3.3.3 結果及討論 25
3.4 路基凍結的數值分析 25
3.4.1 定解條件 26
3.4.2 計算結果與分析 29
3.5 小結 30
第4章 凍土屈服面與屈服準則的研究 31
4.1 引言 31
4.2 理想塑性凍土屈服面的一些特性 32
4.2.1 凍土屈服面的特性 32
4.2.2 凍土的體積屈服面 33
4.3 凍土屈服函數 34
4.3.1 建議的凍土屈服函數 34
4.3.2 屈服面的旋轉 36
4.3.3 與Mohr-Coulomb準則的對比 36
4.3.4 與試驗的對比 37
4.4 小結 39
第5章 土的凍脹融沉機理分析 40
5.1 引言 40
5.2 凍脹融沉的機理及影響因素分析 40
5.2.1 土體影響凍融的基本性質 40
5.2.2 凍脹融沉的影響因素分析 43
5.2.3 土體的凍融分析 46
5.3 小結 53
第6章 土體凍融過程中的溫度場、水分場、應力場研究 55
6.1 多年凍土地區非穩態溫度場研究 55
6.1.1 伴有相變的土體非穩態溫度場的控制方程 56
6.1.2 相變溫度場的有限元法分析 57
6.2 多年凍土地區水分遷移研究 58
6.2.1 土體凍脹和水分遷移 58
6.2.2 水分遷移機理的研究 59
6.2.3 以含水量 為因變量的凍土水分遷移有限元控制方程 62
6.3 凍土的應力及變形問題研究 63
6.3.1 凍土的變形特征 63
6.3.2 凍土強度 64
6.4 土體凍融過程中水-熱-力三場耦合研究 67
6.4.1 凍土溫度場、水分場的耦合關系及水-熱耦合模型 67
6.4.2 凍土應力和土凍結過程中的水-熱-力耦合關系 69
6.5 小結 70
第7章 凍土水-熱-力三場耦合數值模擬 71
7.1 FEPG簡介 71
7.1.1 功能特點 71
7.1.2 適用領域 71
7.1.3 前、后處理系統 72
7.2 數值模擬原理 72
7.2.1 偏微分方程弱解的積分形式——虛位移原理 73
7.2.2 分部積分公式 74
7.3 數值模擬算例 75
7.3.1 渠道溫度場的數值模擬算例 75
7.3.2 渠道凍結三場耦合數值模擬算例 81
7.3.3 路基凍結三場耦合數值模擬算例 90
7.4 結論 109
參考文獻 111
第1章 緒論 1
1.1 研究對象和目的 1
1.2 凍土基本力學性質及特點 3
1.3 凍土的熱質與水分遷移及其凍脹理論 5
1.4 凍土的水-熱-力耦合作用概述 7
第2章 凍土力學模型及本構問題 9
2.1 引言 9
2.2 凍土的彈性本構關系 9
2.2.1 基于細觀力學的凍土彈性本構關系 10
2.2.2 凍土的損傷本構關系 11
2.3 飽和凍土的本構關系框架 16
2.4 小結 17
第3章 基于內時理論的凍土本構模型 18
3.1 引言 18
3.2 凍土非彈性特征的內時本構模型 20
3.2.1 內時應力-應變方程 20
3.2.2 考慮溫度和應變率影響的內時應力-應變模型 21
3.3 理論和試驗數據比較 23
3.3.1 試驗數據 23
3.3.2 內時常數的確定 23
3.3.3 結果及討論 25
3.4 路基凍結的數值分析 25
3.4.1 定解條件 26
3.4.2 計算結果與分析 29
3.5 小結 30
第4章 凍土屈服面與屈服準則的研究 31
4.1 引言 31
4.2 理想塑性凍土屈服面的一些特性 32
4.2.1 凍土屈服面的特性 32
4.2.2 凍土的體積屈服面 33
4.3 凍土屈服函數 34
4.3.1 建議的凍土屈服函數 34
4.3.2 屈服面的旋轉 36
4.3.3 與Mohr-Coulomb準則的對比 36
4.3.4 與試驗的對比 37
4.4 小結 39
第5章 土的凍脹融沉機理分析 40
5.1 引言 40
5.2 凍脹融沉的機理及影響因素分析 40
5.2.1 土體影響凍融的基本性質 40
5.2.2 凍脹融沉的影響因素分析 43
5.2.3 土體的凍融分析 46
5.3 小結 53
第6章 土體凍融過程中的溫度場、水分場、應力場研究 55
6.1 多年凍土地區非穩態溫度場研究 55
6.1.1 伴有相變的土體非穩態溫度場的控制方程 56
6.1.2 相變溫度場的有限元法分析 57
6.2 多年凍土地區水分遷移研究 58
6.2.1 土體凍脹和水分遷移 58
6.2.2 水分遷移機理的研究 59
6.2.3 以含水量 為因變量的凍土水分遷移有限元控制方程 62
6.3 凍土的應力及變形問題研究 63
6.3.1 凍土的變形特征 63
6.3.2 凍土強度 64
6.4 土體凍融過程中水-熱-力三場耦合研究 67
6.4.1 凍土溫度場、水分場的耦合關系及水-熱耦合模型 67
6.4.2 凍土應力和土凍結過程中的水-熱-力耦合關系 69
6.5 小結 70
第7章 凍土水-熱-力三場耦合數值模擬 71
7.1 FEPG簡介 71
7.1.1 功能特點 71
7.1.2 適用領域 71
7.1.3 前、后處理系統 72
7.2 數值模擬原理 72
7.2.1 偏微分方程弱解的積分形式——虛位移原理 73
7.2.2 分部積分公式 74
7.3 數值模擬算例 75
7.3.1 渠道溫度場的數值模擬算例 75
7.3.2 渠道凍結三場耦合數值模擬算例 81
7.3.3 路基凍結三場耦合數值模擬算例 90
7.4 結論 109
參考文獻 111
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凍土水-熱-力三場耦合機理及本構關系 節選
第1章 緒論 1.1 研究對象和目的 凍土是指具有負溫且含有冰的各類土(巖)，主要分布在俄羅斯、加拿大、中國和美國的部分地區，多年凍土的面積約占全球陸地面積的23％，其中我國多年凍土面積約占國土面積的21.5％，主要分布在青藏高原，東北大、小興安嶺以及西部的天山、阿爾泰山及祁連山等地區。在這廣大土地上的道路工程、水利工程、建筑工程、礦山工程、能源工程等的建設和運營與凍土的物理、力學、熱學等性質有著密切的關系，充分認識凍土的物理力學性質是凍土工程建設的關鍵，也是解決凍土工程問題的先決條件。作為多年凍土地區建筑物的地基基礎，凍土物理、力學性質直接影響著建筑物的設計原則、運營狀況及其運營時間。 凍土是一種對溫度敏感和易變的特殊低溫地質體，一般由土礦物顆粒、冰、液相水(未凍水和強結合水)和氣態包裹體(水汽和空氣)四相組成。它們都各有其特性，彼此相互聯系，相互作用。凍土中任何組分的物理、力學性質改變都會影響凍土整體的物理、力學性質的變化，溫度、壓力、水分狀況及鹽分含量等是控制凍土物理、力學性質的主要因素。 土體：是由松散的顆粒體組成的，其體積大小取決于其成型壓力，壓力越大，土顆粒越密實，所占的體積越小。也就是說，土顆粒在壓力作用下有被壓密的趨勢。密實的土體具有較大的承載力。 冰：作為凍土中獨特的成分，對溫度及壓力極其敏感。無論是溫度升高還是壓力增大，都會導致冰的融化，使其喪失承載力以及與土顆粒之間的凍結力。冰的力學性質有別于土的力學性質。凍土中冰含量的多少決定了冰對凍土力學性質的貢獻大小。對于非飽和凍土，冰含量決定著凍土中實際承載面積的多少，冰含量越大，冰與土顆粒間的結合總面積越大，凍土承載面積也就越大，因此凍土的強度越大。在超飽和狀態，冰含量過大，土顆粒分布稀松，凍土的力學性質主要取決于冰的力學性質，與相對密實飽和的凍土比較，承載力降低，力學性質變得不穩定。 未凍水：存在于凍土和冰中。試驗已經證明，即使在-200℃的溫度下，凍土中依然存在未凍水。未凍水分為強結合水和弱結合水，處于弱結合力狀態的未凍水具有流動性，對凍土的力學性質有著重要的影響。它的存在，使得凍土具有流變性，表現為黏彈、黏塑的力學性質。壓力和溫度控制著冰與未凍水之間的轉化。壓力越大、溫度越高，未凍水含量越大。未凍水與土骨架和冰一起共同承受荷載。不同的是，未凍水承受外載的能力更易變化，使外載從高應力區向低應力區移動并可能卸掉部分或全部所承受的荷載，由土骨架承擔。因此，壓力除具有增大土顆粒的密實度和強化土體的作用，與一般土力學概念的差異是，壓力同時導致未凍水增加，由此導致凍土承載力降低，流變性增強。 無論是天然凍土地基還是人工凍結問題，凍土體都是一種承受荷載的材料。凍土的承載力取決于凍土材料的力學性質，只有了解和掌握了凍土材料的基本力學性質，才能準確地確定凍土的承載能力，也才能使凍土工程設計更科學、更可靠。因此，凍土力學性質的研究成為凍土工程中*重要的任務之一。 正是因為凍土由土顆粒及可相變的冰和未凍水組成，凍土的力學性質受土質、壓力、溫度等因素影響而變得非常復雜。在土體凍結或凍土融化過程中，溫度、水分、應力三場的相互作用是一個極其復雜的熱力學、物理化學和力學的綜合問題。水冰相變或冰水相變以及水分遷移聚冰現象的存在，成為凍土介質本身所特有的力學問題，即水-熱-力三場耦合問題。凍土溫度場的變化會引起水分遷移和應力狀態的改變；反過來，應力場的變化又引起溫度場和水分場的重分布，這三場相互制約的關系存在于凍融的全過程。 在降溫過程中，土顆粒自身要發生冷縮，而土中水凍結要發生膨脹，決定土體是凍脹還是冷縮的是土的含水量。多數情況下，含水土層凍結都要產生凍脹，凍脹量的大小主要取決于原土層含水狀況及水分遷移量。凍脹量的大小又是決定土體是否發生破壞的主要原因。凍脹現象使路基的平整性受到破壞，由于凍結過程中的水分遷移和聚冰，路面產生較大的拱起及裂縫等病害，此外凍脹也將導致多年凍土地區橋梁及防護工程等構造產生不均勻變形、傾斜等破壞。 有關資料表明，土體中的熱狀況、水分狀況與變化規律以及由此引起的應力重分布是引起凍害及融沉的主要因素。在寒冷的氣候條件下，土體中的水分會凍結成冰并膨脹，同時未凍結區的水(如地下水)會源源不斷地向凍結區遷移并結冰，引起更大的凍脹及破壞力，致使路基扭曲和折斷。在夏季或人為的熱干擾下，原已凍結的土會融化，土體因排水固結下沉，進而引起道路不均勻變形、坍塌、開裂。因此，正確認識多年凍土的性質，圍繞改善凍土中水、熱狀況來處治凍害，以避免凍害的發生或將其降到*低限度，是多年凍土工程建設和發展的保證。 寒區道路工程中預報路基熱穩定狀況是一個十分重要而復雜的問題，主要在于凍融過程中其熱量傳輸、水分遷移與相變過程是相互作用、相互影響的，并不是由單獨的某個因素所造成，路基中的溫度場、水分場是動態變化的，其耦合效應是導致許多工程凍害問題的直接原因。 多年凍土地區的道路穩定性取決于變形場及應力場狀況，而應力場及變形場與溫度場和水分場緊密相連，它們相互作用，相互影響。可以這樣講，傳統的溫度場、水分場及應力場等單一場的研究難以深入揭示凍脹病害的規律，不能定量解釋各種病害的深層原因，阻礙了有效防治對策的制定。因此，本書將單一場和影響因素的研究發展到從傳熱學、物理化學及工程力學三方面的綜合統一，研究凍土路基溫度場、水分場及應力場耦合效應的變化規律，以便為多年凍土地區路基設計方法提供理論依據，為防治凍土病害工程措施提供參考。圖1-1是凍土地貌照片，圖1-2是青藏高原凍土照片。 圖1-1 凍土地貌 圖1-2 青藏高原凍土 1.2 凍土基本力學性質及特點 凍土力學是凍土學和現代巖石力學的重要分支學科，也是寒區凍土工程學的基礎理論之一。其研究對象基本上是由天然冷(即氣候)形成的凍土，主要研究內容是凍土活動層的凍結融化物理力學過程，凍土層在外界作用影響下的力學過程，正凍土、凍土、正融土的強度特征和變形行為，凍土與建筑物(基礎)相互作用關系，以及工程凍害的評價與防治措施等。 凍土的內部含有極具流變性的物質——冰，水冰相變及水分遷移聚冰現象的存在是凍土介質本身特有的物理力學問題，這使得凍土與普通土的力學性質有很大的差異。正是由于土中膠結冰的存在，凍土的力學性質除了與常溫土特性一樣和土顆粒構成、含水量等有關，更重要的是還和溫度、承載時間有密切關系。這些決定了對凍土力學性質試驗研究的復雜性。 我國在20世紀60年代初開始進行凍土力學性質的研究，在70年代中期的青藏公路建設項目支持下開始進行凍土力學性質的試驗研究。初期的工作主要為現場實地觀測，取得實測數據，并加以整理和歸納，*后得到近似經驗公式。從20世紀70年代末和80年代初開始，隨著我國寒區工程建設以及人工凍結工程應用的不斷發展，特別是凍土工程國家重點實驗室的建立，逐漸培養出了我國的一支凍土基礎研究隊伍。我國的凍土研究工作者在室內對凍土強度和蠕變等力學性質進行系統研究，得到了凍土強度與溫度的關系、蠕變特征、強度與時間的關系、簡單應力條件下凍土應力-應變-時間的本構關系等，初步奠定了我國凍土力學框架。從總體上看，現在我國凍土力學的研究已趕上或接近國際水平，在某些方面已處于國際領先地位。 凍土的力學性質主要包括應力-應變關系、強度和蠕變特性、損傷演化機理等。在凍土的應力-應變關系研究方面，研究者發現凍土的應力-應變關系不能用 來統一描述，而應該用不同的方程來描述不同類型的應力-應變關系。研究人員根據大量試驗將凍土的應力-應變關系分成9種基本類型，并分別給出了它們各自的應力-應變方程，編制了凍土的應力-應變關系類型圖。研究者或工程技術人員只要根據需要解決問題的土質、含水量、應變率及溫度資料，就可以從該圖中查出對應的應力-應變關系類型并確定其應力-應變方程。 凍土的強度和蠕變特性是凍土力學的主要特征之一，無論是凍土的強度還是蠕變特性，無一例外與膠結冰的性質密切相關。一般認為，凍土中的冰屬于多晶冰，多晶冰的強度受許多因素影響，其中*主要的因素是溫度、壓力、應變率以及冰晶的大小、結構和方向等。冰的強度隨溫度的降低而增加，并隨冰晶的大小、方向、密度和結構的變化而變化；隨著應變率的增大，冰的強度也逐漸增大，表現在破壞類型上出現由塑性到脆性的變化。在圍壓的作用下，凍土的強度隨圍壓的增加而增大，但隨著圍壓的進一步增大，凍土的強度又會略有降低。 隨著科學技術的發展，一些新的技術成果也應用到凍土力學性質的研究上來。將電子計算機斷層掃描(CT)應用于凍土細觀結構分析研究，開拓了試驗研究的新領域。通過CT觀測分析凍土蠕變過程中結構變化的細觀分析發現：蠕變過程中結構缺陷的增生與擴展制約著土結構的強化與弱化作用，控制著蠕變變形形態特征；易破壞區首先發生于樣品的低密薄弱層面的薄弱區，對單軸蠕變在薄弱層面形成一環狀低密帶，然后向外擴展*終導致整體結構的破壞；對三軸蠕變在樣品薄弱段的表面形成拉伸裂縫，然后向內擴展*終導致整體結構的破壞。凍土在受力過程中微結構變化研究結果表明：在瞬時荷載作用下，各單元接合處即存在孔洞、裂隙等結構缺陷處是*薄弱的，在這里發生應力集中、孔隙冰的壓融和脆性鍵的斷裂，并伴隨有結構單元的不可逆位移和連續性的中斷；在凍土蠕變過程中所進行的微裂隙的發育與閉合、顆粒集合體的破壞以及其他結構缺陷的增生與擴展、結構單元的重定向，都制約著土結構的強化與弱化作用，控制著蠕變過程的形態特征。 1.3 凍土的熱質與水分遷移及其凍脹理論 作為凍土物理學的基本內容，凍土的熱質遷移與水分遷移研究總是引起各國學者極大的興趣。這主要是因為凍土的熱質與水分遷移決定了凍土的凍結和融化過程，直接影響凍土的凍脹和融沉性質。 為了定性或定量描述凍土中的水分與能態特征，需要引入熱力學的態函數。由于歷史和學科差異，出現了不同學科和技術領域對于一個本質上相同的量引入了不同術語的情況。在描述土水系統中的熱力學關系時，運用了Gibbs自由能的概念，并詳細論述了使用Gibbs自由能的優點；在土壤學科，則是使用吸力的概念；在土力學中一般都采用孔隙水壓力來描述土中水的運動，而水力學和流體力學使用*廣泛的則是勢。在凍土物理學中，針對不同的具體問題，常常采用土水勢和吸力這兩個概念。一般將土水勢視為壓力勢、溫度勢、重力勢、基質勢、滲透勢和電力勢等分勢構成的總勢，其中的任何一分勢梯度均可能引起水分遷移。 凍土中的水分運動是由其所受力的不平衡引起的，它受物理的和化學的等諸多勢能的影響。國外先后提出的描述凍土水分遷移驅動力的14種假說，其中較有影響力的是Everett(1961)提出的毛細理論和Beskow(1935)提出的薄膜理論并由Beskow進一步發展為吸附-薄膜理論。雖然毛細理論*后被證明存在很大的缺陷，但是在歷史上該理論對凍脹機理的研究也作出了不少貢獻。吸附-薄膜理論的主要思想是介于冰和土顆粒間的未凍水薄膜的厚度是溫度的函數，在一定溫度保持一定的厚度，未凍水從鄰近溫度較高、未凍水薄膜較厚處向溫度較低、未凍水薄膜較薄處遷移，其本質體現了凍土中未凍水和冰的動力平衡原理。后來，研究者通過試驗結果支持了該理論，目前，未凍水的薄膜理論已為大多數學者所承認。 水分遷移可以分為直接遷移與間接遷移。直接遷移是指由壓力勢造成的滲流運動，一般滿足層流的條件，可用Darcy定律描述；間接遷移一般包括溫度勢、溶質勢或電位勢作用下的水分遷移。在凍土中溫度梯度引起未凍水分的遷移已經被試驗所證實。 一般來說，多孔介質中的熱量輸運有三種基本方式，即傳導、對流和輻射，Gardner等(1984)又將這三種基本的傳熱方式劃分為六種傳輸途徑，各種傳輸途徑在多孔介質中所占的地位并不相同。正凍土的熱量遷移按其機理可以分為直接遷移和間接遷移。直接遷移是指在溫度勢作用下以熱傳導方式進行的熱量遷移，它也
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