非饱和土中水-热-盐多场耦合作用的数值分析与试验研究

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在盐渍土地区的基础设施建设、盐渍土改良、核废料的深层地质处理以及垃圾填埋场的工程土障中,均涉及到水力-传热-传质等多物理化学过程的耦合作用,进而多孔介质中水力-传热-传质耦合问题已经成为众多学者的研究热点之一。近年来,很多专家、学者已经对多孔介质中水-热、水-盐耦合做过大量的研究,但针对多孔介质中水-热-盐的多场耦合问题的研究,还存在诸多问题亟待解决。考虑非饱和土中的孔隙被水蒸汽、液态水、干燥气体以及盐分等组分填充,当土体孔隙中的液相、气相、盐分以及能量发生迁移时,不仅要考虑对流、非对流(机械弥散、分子扩散)作用对其迁移的驱动,还要综合考虑各组分对其耦合作用的影响。本文基于多孔介质理论,通过质量守恒方程和能量守恒方程,获得了非饱和土中水分、干燥气体、盐分的质量守恒方程以及能量守恒方程,针对非饱和土中水-热-盐的多场耦合问题进行了深入研究。首先,文章通过详细阐述多孔介质中水-热-盐多场耦合效应的国内外研究现状来引出本文的研究内容。其次,针对非饱和土中水-热-盐多场耦合作用的一维稳态问题、层状非饱和土中水-热-盐多场耦合作用的一维稳态问题、非饱和土中水-热-盐多场耦合过程的一维非稳态问题,建立相应的状态方程组。在使用打靶法对所得状态方程组进行求解的同时,利用Runge-Kutta法、Newton-Raphson法来优化计算过程,将所得数值解与实验结果进行比较,验证该数值模型与求解方法的有效性;最后,结合数值算例与实验研究,通过改变非饱和土的物理力学参数,分析了非饱和土中水分场、压力场、温度场、盐分场的迁移规律与分布特征。具体研究过程及结论如下:(1)针对非饱和土中水-热-盐多场耦合作用的一维稳态问题。首先,通过水分、干燥气体、盐分的质量守恒方程以及能量守恒方程,得到一维稳态问题的状态方程组;其次,结合数值算例,通过改变非饱和土中的孔隙水压力梯度、温度梯度、盐分的浓度梯度以及孔隙率等物理力学参数,对土体中孔隙气压力、温度以及盐分分布情况的变化规律进行了研究。(2)在天然条件下,土体一般是呈层状分布的,且工程土障相较于周边土体具有不同的物理力学性质,因此,基于一维稳态问题的状态方程组,对均质非饱和土与层状非饱和土中压力场、盐分场、温度场的分布情况进行了研究。通过改变夹砂层的厚度、进气压力值和渗透系数等物理力学参数,对层状非饱和土中孔隙气压力、温度、盐分的分布情况进行了研究,并在微观物理的角度上分析这些规律产生的原因,进而为工程土障工作原理的分析、工程土障材料属性的选择以及防止土壤的盐渍化等工作提供了理论依据。(3)在工程实际中,非饱和土中水-热-盐的多场耦合过程是随着时间不断变化的。针对水-热-盐多场耦合过程的一维非稳态问题,基于一维非稳态问题的状态方程组,通过改变土体的孔隙水压力梯度、温度梯度、孔隙率等物理力学参数,对土体中孔隙气压力、温度以及盐分的迁移过程进行了分析。通过试验,进一步研究了非饱和土体中水分、温度、盐分的迁移规律与分布特征,为非饱和土中水-热-盐多场耦合作用的研究提供了实验支撑。结果表明:在相同的边界条件下由于夹砂层的存在,层状非饱和土中的孔隙气压力小于均质非饱和土,均质非饱和土的导热能力高于层状非饱和土;当夹砂层的渗透系数越小时,层状非饱和土体中的孔隙气压力越大;当夹砂层厚度越厚时,层状非饱和土中盐分的迁移能力会随之减弱;当夹砂层进气压力值越小时,层状非饱和土中能量和盐分的迁移能力会随之减弱。非饱和土中的水分场、压力场、温度场以及盐分场的迁移存在着显著的耦合效应;随着非饱和土体中孔隙水压力梯度的逐渐增大,土体中孔隙气压力、温度、含盐量均逐渐减小;随着非饱和土体中温度梯度的逐渐增大,土体中孔隙气压力逐渐减小,而含盐量逐渐增大;随着非饱和土体孔隙率的增大,土体中孔隙气压力、温度随之逐渐减小,而含盐量逐渐增大。
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