冻结作用下非饱和黄土水分迁移试验研究

通过室内大尺寸非饱和黄土冻结作用下水分迁移试验,开展了土体密度、含水量、冻结温度、冻结方式对非饱和黄土水分迁移影响的研究.试验结果表明:冻结过程中土样温度变化分为3个阶段:急剧降温阶段,缓慢降温阶段,稳定阶段; 干密度越大,稳定冻结锋面的水分迁移量越大,但冻结区的整体水分增量越小; 初始含水量越大,水分迁移量越大,并且在冻结锋面处含水量增幅越大; 在未冻结区,从邻近冻结锋面到暖端,含水量先增大后减小,初始含水量越小,这种现象越明显.此现象是冻结界面抽吸力、温度梯度和基质吸力梯度共同作用的结果.冻结方式直接影响已冻结区的含水量分布和水分迁移总量.     

辽西地区冻风积土水分迁移特征的研究

对辽西地区的风积土进行了冻结过程的水分迁移试验,获得了含水量随温度和时间的变化规律;基于连续介质力学和热力学理论,建立了冻结过程中水分迁移的动力学模型,并采用差分解法进行了数值模拟分析;借助于扫描电镜从微观上研究了冻结过程中试样内部土颗粒的排列变化,从而揭示风积土的水分迁移特征。研究结果表明：时间和温度决定了水分迁移的充分性,温度的变化随深度的增加而具有衰减性,并且在冻结峰面附近形成一个冻结含水量峰值;在靠近顶端的一定深度内,冻结后的含水量并没有持续增加,反而有减小的趋势;通过扫描图像可以看出,土颗粒的重新排列直接反映了水分迁移的状态。     

地下水浅埋条件下越冬期土壤水热迁移的数值模拟

应用土壤冻融过程中水热耦合迁移模型,对内蒙古河套灌区地下水浅埋条件下整个土壤冻融过程进行了模拟,分析了越冬期土壤水热迁移规律．结果表明,快速冻结阶段土壤冻结速度随深度线性减小．冻结过程中某一深度处的含水量增量与冻结速度呈双曲线型相关关系．提出了土壤冻融过程中的特征含水量概念,以描述土壤含水量的动态变化特征．     

冻结作用下考虑补水层影响的水分迁移试验

冻融协同淋洗修复污染土壤的过程中,为了提高淋洗效率,须使土体在冻结过程中吸收更多的水分或淋洗液。因此,通过室内大尺寸单向冻结水分迁移试验,开展了开放系统下温度梯度、冻结速率及补水方式对水分迁移的影响研究。试验结果表明：冻结过程中土中水分迁移与温度梯度的变化速率有关,变化速率越大水分迁移量越大;可以通过边界温度控制冻结锋面推移速度进而影响土中水分的迁移,当冻结锋面推移速度为0.5 cm·d^-1左右时,补水速率最大;距离冻结锋面越近水分迁移量越大,当距离冻结锋面10 cm左右时,水分迁移量开始增大,可通过在土体中添加多层补水层的方式让土体吸收更多的水分;有外界水源的补给下土体含水量整体增加,但上层土体含水量增加较多,下层土体含水量增加较少。     

非饱和土热湿迁移的数值模拟

本文基于菲利普-迪弗瑞斯(Philip-De Vries)热湿耦合迁移模型,采用一维积分有限差分程序HM1,模拟了一维轴对称热湿耦合迁移问题。模拟中,有意识地调整水分热扩散率D_T,水分等温扩散率D_θ,热导率λ,得到了有关物性参数变化对土壤热湿迁移影响的规律;同时,又有意识地调整某些初始条件(初始含水率)及边界条件(输入热功率),取得了初始含水率及输入热功率变化对土壤热湿迁移影响的规律。这些规律性成果对埋地电缆敷设工程设计具有指导意义。     

温度变化条件下重塑黄土水分迁移试验

土体内部由于所处环境差异会造成水分场的不均匀分布,为了探究不同影响因素下重塑黄土水分迁移的规律,配置不同干密度、初始含水率水平的重塑土样,在不同温度梯度、不同温度水平下进行重塑黄土水分迁移室内试验,分析在4种不同因素变化下黄土体内部水分场的变化规律及机理。结果表明：土样两端施加的温度梯度越大,水分迁移速率就越快,温度势是引起土体内部水分迁移的主要驱动力;土样的干密度越大,基质势越大,同时渗透系数越小,阻碍了水分的迁移,故水分迁移速率越慢;当土样含有较大的含水率时,由于渗透系数较小,造成迁移速率较小,当土样初始含水率较小时,由于总土水势较小,造成迁移速率较小,当初始含水率在一定范围内时,其迁移速率较快;在土样两端施加的温度水平越低,导致总土水势越大,故水分迁移速率越快。     

铀矿体上方均匀覆盖层中氡迁移的数值模拟

依据氡的扩散-对流机理,本研究确定了稳定状态下铀矿体上方均匀覆盖层中氡迁移的二维运移方程。采用有限差分方法分别模拟出均匀铀矿体、不均匀铀矿体、两个均匀铀矿体上方均匀覆盖层中的氡浓度分布。文章探讨了数值模拟中扩散系数、对流速度、覆盖层厚度、矿体宽度等模拟参数对氡浓度分布的影响。将迁移模型应用于大庆沟铀矿床,并与室内模型实验所测得的不同深度处的氡浓度值进行对比。实测结果表明,当迁移模型的参数选取适当时,数值模拟结果与实测结果基本吻合。     

饱和颗粒正冻土-维刚性冰模型的数值模拟

基于刚性冰模型，应用有限差分法离散方程组，对于饱和颗粒土开放系统的冻结过程进行了一维数值模拟，给出了冻结缘内参数的分布．计算过程中修正了刚性冰模型中分凝冰产生条件，提出以冻结缘内冰压与载荷的关系作为分凝冰产生的判据，计算得到的冻胀量与实验室冻胀实验的测量数据较为吻合．将计算结果与现场实测资料进行了比较，温度场、含水量分布等结果在分布规律方面与现场实测资料相符．     

冻融条件下浅层黄土中温度与水分的空间变化相关性

黄土高原是西北典型的季节性冻土区,在黄土斜坡冻结和融解过程中土体内的温度、水分变化显著,导致土体中含水量及地下水位发生相应的变化,诱发一系列的滑坡、崩塌等地质环境问题。选择甘肃永靖县黑方台黄土斜坡为研究区,原位监测冻结至融解过程中黄土的温度和含水量,研究冻融条件下黄土斜(边)坡冻结层温度和水分及变化特征及其关系。结果表明,本次监测点黄土冻结深度为52cm,黄土剖面温度表现为3个特征带:温度稳定传递带、温度变动带、温度交替显著带。温度在黄土斜(边)坡冻融过程中对水分具有控制性作用,含水量随温度变化划分为3个阶段:1小于2℃,含水量随温度呈现非线性递增趋势;22~6℃,含水量随温度呈现波动性下降;3大于6℃,水分由小幅增加直至稳定,温度影响权重减小。随着冻结土层完全融解,被冻结水分融解后向下运移,最终导致剖面含水量急剧增加,因此,冻结至融解过程中含水量发生急剧增加,是导致浅层黄土滑塌的重要因素。     

渗流作用下深埋巷道围岩热交换过程的数值模拟

为了研究深埋巷道围岩温度场的分布规律,基于传热学和渗流理论建立了深埋巷道围岩的热扩散数学模型,结合边界条件采用MATLAB对其进行了数值求解,获得了在风流和渗流耦合作用下围岩的温度场和温度矢量分布。研究结果表明,渗流改变了围岩初始温度场和温度矢量的对称分布的状态,围岩内部的温度场可划分为向内扩散区和向外扩散区。在围岩与风流的热交换作用下,巷道的壁面温度将接近风流温度,温度矢量零点的范围呈现出逐步增大的趋势。当热交换达到平衡状态时,向内扩散区的温度场呈现为环状对称分布状态;而向外扩散区等温线的形状没有明显的改变,但等温线的分布逐渐稀疏。     

降雨条件下滑坡排水沟排水数值模拟

地表排水沟是滑坡治理常见措施之一。在降雨入渗与坡面径流有限元耦合模型中,通过调整径流方程中的坡度参数,实现地表排水沟排水模型。模型具有易于理解、实现简单的优点。以地表排水模型为基础,对5种典型滑坡在设与不设排水沟情况下坡体渗流场、坡面径流场、坡体入渗量和入渗过程进行了数值模拟。结果表明,当降雨强度相对土体渗透性较小时,排水沟设置在坡体渗透性由小变大的位置,才能有效地截断上游径流,减小入渗量;而当降雨强度相对土体渗透性较大时,排水沟排水效果并不明显。     

深部软岩巷道锚注支护数值模拟研究

采用大型有限元数值模拟软件ANSYS,对深部软岩巷道锚注支护前后围岩变形破坏规律进行了数值模拟,对锚注支护前后围岩的应力、位移及塑性区的变化情况等进行了系统分析,结果表明,锚注支护显著提高了围岩的强度和承载能力,有效地控制了深部软岩巷道的损伤变形。     

应力波作用下巷道层裂破坏的数值模拟研究

采用LS-DYNA软件,对扰动应力波作用下巷帮围岩层裂破坏结构的形成过程、扰动应力波强度pmax对层裂结构形成的影响进行了有效的数值模拟,得到了一定巷道围岩应力状态下巷帮围岩层裂结构的形状、厚度等特征。结果表明：扰动应力波是形成巷帮层裂结构,继而诱发冲击矿压的重要因素;扰动应力波的强度决定了是否形成巷帮层裂结构及其层裂结构的范围大小。研究结果对揭示煤矿冲击矿压的诱发机理,及采取有效地防治技术具有重要意义     

沟底膜孔灌水条件下土壤水入渗规律的数值模拟

以土壤水动力学原理为基础,研究了沟底膜孔灌水条件下土壤水分运动规律,建立了二维入渗模型。对模型检验表明,试验实测数据与模型计算值吻合较好,说明所建立的模型是可行的。     

隐伏岩溶条件下的上部结构-基础-地基共同作用数值模拟分析

基于龙岗区某超高层大夏,建立岩溶地基-基础-上部结构共同作用的有限元计算模型,模拟分析溶洞的应力、应变、位移及桩基础受力性能,并将分析结果与传统设计方法（上部结构与地基基础分离成两部分计算）进行对比分析,指出岩溶地基条件下传统设计方法的局限性。其研究结果表明:对于岩溶地基而言,共同作用对柱产生的次应力较小,但个别角柱次应力较大;剪力墙的次应力较大,且其布置方式对共同作用有较大影响,此应力随楼层的增加衰减很快;针对岩溶地基,筏板基础是比较适合的基础形式,在共同作用中起很大作用。      

污染场地六价铬迁移转化机制与数值模拟研究

随着全球工业化迅猛发展,土壤和地下水六价铬污染日益严重。基于某铁合金厂铬渣场地现场调查与采样分析,开展铬渣场地土样吸附、渗透和弥散试验,研究六价铬在粉质黏土土样中的吸附特性和迁移规律,建立考虑对流-弥散-吸附的六价铬迁移三维动力学模型,结合数值软件获取污染源位于场地上、下游时地下水中六价铬迁移分布特征,并揭示弥散度?和分配系数 对六价铬时空分布的影响。试验结果表明,粉质黏土对六价铬吸附符合Langmuir等温吸附模型,最大吸附量为466.6 mg/kg;蒸馏水和160 mg/L 六价铬溶液入渗下粉质黏土渗透系数约为6.5×10–7～6.7×10–7 cm/s,1 000 mg/L六价铬溶液的渗透系数增大至4.4×10–6 cm/s;粉质黏土水动力弥散系数D为1.4×10–4 m2/d,计算得到阻滞因子 为4.2～10。数值模拟结果表明,场地下游受到六价铬污染时,即使不考虑分子扩散作用,上游仍有被污染的风险,污染程度取决于含水层的弥散度;考虑含水层对六价铬吸附时,土体分配系数越大,六价铬污染羽分布范围越小,在预测地下水中六价铬浓度分布时应重点考虑六价铬吸附等转化过程。     

温度影响下的非饱和黄土水分迁移问题探讨

对非饱和黄土土样的实验结果揭示出,对于初始含水量均布的土样,在两端施加温差后,冷端的含水量增大,热端含水量减小。在温度差作用下,温度差越大,土体密度越小,水分迁移特征越明显,土样两端含水量差越大。当初始含水量较大和较小时,温度差引起的含水量差均较小;当初始含水量适中时,温度差引起的含水量差值较大。基于实验结果,考虑含水量和密度的影响,得到温度梯度引起含水量梯度的表述关系式,计算和实测结果验证了该表述式的可靠性。据此得到了考虑温度影响的非饱和黄土水势的表述式,该式考虑了土体密度、温度梯度、含水量和含水量梯度对水势的综合影响,对实验土样的计算结果反映了水分的稳态分布。     

瞬态传热下冰的热力学过程及相变特性

冰水介质间的热传递过程广泛存在于海冰与冰川的生消演化中。对冰水间传热过程的研究有助于理解冰脊固结与冰川融化过程的内在机理。分别采用浸没试验与基于有限差分法的数值模型对热传递过程进行研究,并通过量纲分析对测试结果进行深入讨论。试验过程中分别采用不同初始温度与初始厚度的试样,并测试冰温与冰厚的变化情况。试验数据显示,在瞬态热传导过程中冰内存在明显的温度梯度,且在试验初期呈非线性分布而在中后期呈准线性分布。试样的平均温度表现出试验初期的快速升高与中后期的缓慢提升两个阶段。当试样具有较低初始温度或较高的厚度时需要更长的时间达到环境温度。冰厚的变化也同样出现快速增长与缓慢提升的两个阶段。当试样初始冰温较低或初始厚度较大时,冰厚增长量显著提高。分析结果表明,影响冰温变化的决定因素是由Fourier所表示的导热与内能之间的比值而非初始条件。冰厚的最终增长率则由表示相变的Stefan数与表示热对流的Biot数两者之间差值所决定。