基于有限体积法的冻土水热耦合程序开发及验证

土体冻结和融化时的水分迁移、相变与传热是一个相互影响的耦合过程。采用基于有限体积法的开源软件OpenFOAM,编制描述土体冻融过程的水热耦合计算程序。首先,基于土体水分和热量迁移基本方程、水分相变与温度的平衡方程,同时考虑相变对水分特征参数和热特性参数的影响以及相变潜热对传热过程的影响,建立冻土水热耦合数学模型。然后,采用基于多面体网格的有限体积方法对水热耦合控制方程进行空间离散,采用全隐式向后差分方法对方程进行时间离散,由此编制冻土水热耦合计算程序。该程序具有良好的几何适应性、质量和能量守恒性,具备面向复杂问题的并行计算功能。最后,采用该程序对两组不同温度边界条件的室内土体冻结试验进行数值模拟,并与试验结果进行对比,结果表明该程序可以较为准确地模拟土体冻结过程中温度场和水分场的演化特征。     

基于有限体积法的冻土水热耦合程序开发及验证

土体冻结和融化时的水分迁移、相变与传热是一个相互影响的耦合过程。本文采用基于有限体积法的开源软件OpenFOAM,编制描述土体冻融过程的水热耦合计算程序。首先,基于土体水分和热量迁移基本方程、水分相变与温度的平衡方程,同时考虑相变对水分特征参数和热特性参数的影响,以及相变潜热对传热过程的影响,建立冻土水热耦合数学模型。然后,采用基于多面体网格的有限体积方法对水热耦合控制方程进行空间离散,采用全隐式向后差分方法对方程进行时间离散,由此编制冻土水热耦合计算程序。该程序具有良好的几何适应性、质量和能量守恒性,具备面向复杂问题的并行计算功能。最后,采用该程序对两组不同温度边界条件的室内土体冻结试验进行数值模拟,并与实验结果进行对比,结果表明该程序可以较为准确地模拟土体冻结过程中温度场和水分场的演化特征。     

耦合融雪的分布式流域"降雨-径流"数值模型

针对中国对耦合融雪的"降雨-径流"过程数值计算模型方面的研究较少,本文联合应用能量平衡方程及运动波理论的基础方程式,结合GIS技术构建分布式流域耦合融雪的"降雨-径流"数值计算模型,并应用流域实测资料进行了有效性验证。研究结果表明:在不考虑融雪条件下,实测流量与计算结果之间存在着较大的误差;在考虑融雪条件下,实测流量与计算结果之间的误差在基准允许范围之内(小于3%);在积雪与融雪区,对流域"降雨-径流"过程的数值计算须考虑融雪。该研究为积雪融雪区提供了一种耦合融雪的"降雨-径流"过程数值计算的新方法。     

冻土路基在地震作用下的动力响应

青藏高原是地震多发区,冻土区的公路、铁路在地震作用下的动力响应必须考虑．将冻土作为黏弹塑性材料,考虑冻土在动力荷载作用下的热力耦合效应,从热传导方程、渗流微分方程和动力平衡方程出发,建立了冻土的动力热一力耦合微分方程．根据相应的有限元列式,对路基在地震荷载作用下的动力响应进行了计算与分析．     

土壤冻融过程中水流迁移特性及通量模拟

为研究季节性冻土在冻融过程中水热盐的运移规律,在野外开展了一维及二维冻土水热盐运移试验,并通过Br离子示踪法及建立冻土水盐通量计算模型对土壤冻融过程中水盐的通量变化特性进行了计算分析。基于Hangen-Poiseuille孔隙通量方程,耦合孔隙冰柱体对水力传导度的影响机理,提出了冻土水流通量模型。结果表明,冻结过程中,液态水在水势和温度梯度作用下在冻结锋处聚集,形成通量峰值,冻融过程中自地表和最大冻深位置分别向下和向上的融化过程中,一维与二维试验水流通量变化对比表明,冻融过程中水流通量受到中间层冻土和地下水顶托的影响。冻土通量模型能够有效地描述冻土中不同温度条件下水流通量特性,从微观的角度很好地解释了土壤冻结过程中冰水共存状态下土壤中水流通量变化规律。     

非饱和冻土水汽迁移与相变过程的光滑粒子法模拟

为了研究多年冻土表层的水热分布情况,在非饱和冻土的能量守恒方程和水分迁移的质量控制方程的基础上考虑冰水相变和水汽相变过程,并考虑水汽运移传热及温度势对水汽迁移的影响,建立了非饱和冻土的水-热-汽耦合模型。采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法可方便地计算它们的演化过程。为此,在计算中先求解能量守恒方程的含冰量及气态水含量,再对未冻水含量和温度场进行求解,从而实现了温度场与水汽场的耦合。在此基础上,模拟计算了第1类热边界条件下半无限空间介质内非稳态温度场、体积含水率及水汽通量的分布情况,并将计算结果与未考虑耦合的解析解进行比较,结果显示水汽耦合的作用不容忽略。最后,针对处于季节性周期温度边界下路基的水热场的分布情况进行计算。研究表明,相比于水-热耦合模型,所建立的水-热-汽耦合模型得到的计算结果更为接近实际监测结果,可很好地揭示非饱和冻土中的水热汽迁移特征及其相变过程。     

基于全耦合的地表径流与土壤水分运动数值模拟

针对降雨径流从坡面流下的过程中会发生下渗,导致土壤水非饱和带含水率增大这一动力学过程,从物理机制上对土壤水和地表水进行耦合,将二维平面地表水模型叠置在土壤水模型的顶部,对土壤水、地表水模型进行相同的空间和时间离散,在模型的计算过程中通过达西流关系对两者之间的水量交换进行计算(双层结点法耦合)或整合离散方程的整体法进行耦合。通过对两种耦合方法的比较以及与前人的实验结果对比,该模型与耦合方法能够准确地模拟和预测地表径流与土壤水分运动过程。研究结果可为分析地表水流与饱和-非饱和带水分与溶质耦合机理提供理论支持。     

深部人工冻土黏弹塑损伤耦合本构模型研究及其验证

采用改进的Mohr-Coulomb屈服准则(Zienkiewicz-Pande准则), 建立了能描述人工冻土3个阶段蠕变特性的黏弹塑损伤耦合本构模型. 基于该本构模型建立了模型的柔度矩阵, 将本构模型嵌入到ADINA有限元程序中. 计算表明: 数值模拟得到的人工冻土蠕变特性曲线与实测值吻合良好, 最大误差为4.8%, 说明基于改进的Mohr-Coulomb准则建立的黏弹塑损伤耦合本构模型能够准确的描述人工冻土剪切特性和3个阶段的蠕变特性.获得的本构模型具有参数少、容易确定等优点. 深部人工冻土黏弹塑损伤耦合本构模型的建立, 对于人工冻土结构物长期稳定分析和预测具有重大的理论指导意义.     

秸秆覆盖条件下土壤水热盐耦合运动规律模拟研究进展

分别从等温和非等温水盐动态模拟以及覆盖边界层三个方面,以秸秆覆盖条件下土壤水、热、盐耦合运动规律模拟研究为重点,介绍了50年代以来土壤水热盐数学模拟的研究成果,并简要论述了有关模型的特点及今后的发展方向.     

黑河上游冰沟流域典型积雪期水文情势

综合研究了黑河上游祁连山冰沟流域2008年积雪期水文情势,以积雪-冻土-径流为框架详细分析了该地区积雪水文特征.采用物质平衡计算了冰沟流域雪蒸发和融水值,并分析了冻土水热变化过程和融雪径流变化特征.积雪期降水总量达到204.6 mm,雪而蒸发为140.8 mm,雪面蒸发在积雪期水文循环中占有重要的位置.3月12日融雪开始,引起3次人规模的融雪峰值;整个融雪季,冰沟流域融雪径流总嚣为3.98×106m3.冻土解冻始于4月12日左右,随着气温升高,土壤含水量变化明显.地形和风速相巨作用,造成积雪的大规模重新分布.     

冻土模式的改进和发展

本研究首先对当今常用的冻土模式进行了改进。以土壤总焓和土壤水总质量替代原来的温度和体积水含量作为方程预报量,使冰水相变速率项变为诊断量,避免了原冻土模式计算过程中由于冰水相变速率项预估的误差造成计算过程中的温度偏差。同时对该新形式模式所发展的诊断量方程组设计了合理省时的数值计算方案。实验表明,改进后模式的模拟结果与观测值有较好的吻合。此外,分析比较了目前常用的3种冻融方案的理论基础及模拟结果,发现基于热力学平衡态推导得到的包含土壤水势影响的参数化方案能很好地模拟土壤的冻融变化过程,不同的冻融方案会对土壤内的温度、水量及表面的感热和潜热模拟结果产生较大的影响。      

冻融试验研究

提出了关于冬季强夯加固处理冻土层的理论依据.取一定体积的场地未冻土装入完全限制水平胀力的钢制容器内,模拟自然冻胀、融解.计算冻土层的松弛量.对松弛量的形成过程和应用进行了研究.     

冻结砂土的强度特性

本主要阐述在一定的加荷速率下，围压和温度对冻结兰州砂土应力－应变特性的影响。试验表明，围压的增大或温度的升高明显增强了冻结砂土的塑性及应变硬化性能。随着围压的增大，冻结砂土的极限偏应力强度和轴向破坏应变增大，随着温度的降低，极限偏应力强度增加，而轴向破坏应变减小，但是当围压为零时，轴向破坏应变不随温度变化，当平均法向应力σ≤６ＭＰａ时，冻结砂土抗剪强度近似服从库仓定律，此时粘聚力和内摩擦角随温度     

冻结黄土抗拉强度的试验研究

冻结饱水黄土的拉伸试验表明，拉伸破坏均属脆性破坏类型，拉断面上矿物颗粒剪移错粒，裂隙发育。拉伸的应力－应变过程，视荷载作用的快慢大致可分为粘弹－塑性、粘－弹性有脆性破坏三类，它们可用统一的方程形式加以描述，此外，对饱水冻结黄土的峰值应力、破坏应变和破坏时间等特性进行了分析，对抗拉、抗压强度作分析比较后指出，它们的比值为０．４４－０．６３，与负温和加载速率的关系不大。     

硫酸盐渍土在不同降温速率下的盐胀规律

降温速率对硫酸盐渍土的盐胀率有显著影响。随降温速率的减小，各种含盐量、密实度的硫酸渍土的盐胀率以幂函数增长，其通式为ｙ＝ＡＶＴ＾－Ｂ，但其增长规律彼此又有显著差别，主要表现在Ａ、Ｂ参数的变化上，在试验范围内，Ａ、Ｂ值随含盐量的增加而增加，随密度的增大而减小。     

季节冻土场地上的地脉动特征

以张掖市的一场地为研究对象,通过对不同季节地脉动的测量和分析,研究了场地的脉动频谱特性随季节的变化.对场地实测资料的分析发现,冬季随着上覆冻土层的出现,使得场地刚度发生变化,频谱形状也明显地改变,地脉动的卓越频率明显提高.     

冻土温度场的参数辨识

从冻土温度场的实际背景、物理现实及温度场的数值计算现状出发,阐述了参数辨识的重要性和必要性.以冬季开放的渠道为例,在原有温度场的基础上,利用参数之间的关系,给出了耦合温度场的数学模型.在此基础上首次建立方程中一些参数的分布控制模型,应用这些参量的连续性与变化的缓慢性,将问题分解,把在无穷维空间的辨识转化为有限维空间的辨识.论述了各子系统的解与参量的关系及优化辨识问题最优解的存在性,即可辨识性.     

不同地表条件下冻融土壤的入渗特性分析

通过大量的入渗试验,对不同地表条件下季节性冻融土壤的入渗特性进行了对比分析,结果表明:在冻融期,不同地表条件下土壤入渗能力均经历由高到最低点,然后再增高的变化过程;有覆盖物地块最小土壤入渗能力出现的时间均滞后于裸露地.     

基于颗粒类型的冻土分类

Based on the log-normal distribution of the grain size density function derived earlier for the entire zone of mineral disintegration, a unified granulometric taxon of perennially frozen soils is proposed which generalizes the existing soil classifications.     

冻土的蠕变及蠕变强度

基于试验，本本讨论分析了冻土三轴蠕变规律及温度和围压对冻土蠕变强度的影响，给出了土蠕变及蠕变强度随时间降低的方程式，进而提出了冻土蠕变强度的物型屈服准则。通过改变参数可将冻土的瞬时强度准则与冻土的瞬时强度准则与冻土的蠕变强度准则统一为同一个方程描述。