耦合温度场的饱和软土地基排水固结有限元分析

摘要

随着软土地基热固结、地热开发、核废料处置及供热管道设计等工程问题的出现，土的热固结问题已成为岩土工程领域的重要课题。本文总结了热固结的试验、理论研究成果，阐述了热固结的基本原理，在此基础上开展了热固结的数值模拟计算。
　　本文首先介绍了热力学的基本理论，阐述了温度对饱和土体工程性质的影响。其中，温度升高会明显降低饱和土孔隙水粘滞系数，由此导致的热固结过程中渗透系数的变化也不能忽略。在此基础上结合传统固结理论、渗流理论阐述了耦合温度的热固结控制方程。
　　接着，对一维饱和土体由加热产生的附加孔压进行了求解。依托多场耦合软件COMSOL Multiphysics，针对不同温度荷载下的不耦合温度的普通固结(NT)、耦合温度不考虑温度对孔隙水粘滞系数影响(CT)以及耦合温度考虑温度对孔隙水粘滞系数影响(CTV)三种工况进行一维和含热源管井的饱和土基础热固结数值计算。通过对应力应变、温度传导、孔压消散及固结度的计算对比分析热固结的基本规律。
　　最后，将管井地基等效为平面应变的砂墙地基，在COMSOL Multiphysics平台中对耦合温度场的饱和土堆载排水固结进行数值模拟。并将其与不耦合温度的普通堆载排水固结数值计算结果进行对比。通过对沉降速率和超静孔压的消散规律进行比较分析，证明了热固结在软土地基加固中的工程应用价值。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．1．1 高放射性废物地下储存

1．1．2 城市管线建设

1．1．3 地下空间开发

1．1．4 地热能源开发

1．1．5 软土地基加固

1．2 考虑温度耦合作用的地基固结研究发展现状

1．2．1 土体热固结的试验研究现状

1．2．2 土体热固结的理论研究现状

1．3 本文的主要工作

2 耦合温度场的饱和土固结理论

2．1 引言

2．2 热力学的基本理论

2．3 温度对土体性质的影响

2．3．1 温度对土体热膨胀影响

2．3．2 温度对饱和土渗透特性的影响

2．3．3 温度对土体热传导及热阻抗的影响

2．4 考虑温度耦合作用的饱和土地基热固结控制方程

2．4．1 平衡方程

2．4．2 渗流方程

2．4．3 能量守恒方程

2．4．4 总控制方程

2．5 本章小结

3 多场耦合软件COMSOL Multiphysics的数值分析方法介绍和一维热固结分析

3．1 引言

3．1．1 数值分析方法介绍

3．1．2 有限元法的基本理论

3．1．3 有限元分析软件COMSOL Multiphysics介绍

3．2 一维热固结计算理论基础

3．3 基于Comsol的一维热固结有限元模拟模型

3．3．1 基本假定

3．3．2 模型介绍

3．3．3 参数选择

3．4 耦合温度场但不考虑温度对孔隙水阻滞系数影响(CT)的一维热固结分析

3．4．1 CT工况温度及附加孔压分布规律

3．4．2 土层中超静孔压与孔压梯度分布规律

3．4．3 CT工况固结度分析

3．5 耦合温度场但同时考虑温度对孔隙水阻滞系数影响(CTV)的一维热固结分析

3．5．1 CTV工况温度及附加孔压分布规律

3．5．2 土层中超静孔压分布规律

3．5．3 CTV工况固结度分析

3．6 应变场及位移场对温度场的影响作用分析

3．7 小结

4 基于COMSOL Multiphysics的管井地基热固结分析

4．1 引言

4．2 基于Comsol的管井固结模拟模型

4．2．1 基本假定

4．2．2 模型介绍

4．2．3 参数选择

4．3 管井热固结有限元计算结果分析

4．3．1 管井地基热固结应变分析

4．3．2 温度分布规律对比

4．3．3 管井地基热固结附加孔压分布规律

4．3．4 管井地基热固结超静孔压分布规律

4．3．5 管井地基热固结的固结度-时间分析

4．4 本章小结

5 耦合温度场的软土地基固结计算模拟

5．1 引言

5．2 管井地基的平面应变等效方法

5．3 模型介绍

5．3．1 基本假定

5．3．2 模型建立

5．3．3 参数和边界条件

5．3．4 模型网格划分与初始状态

5．4 温度作用下饱和软土地基堆载排水固结有限元计算结果分析

5．4．1 温度分布规律

5．4．2 沉降分析

5．4．3 孔压分析

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 进一步研究展望

参考文献

作者简历