非饱和土中水-热-盐多场耦合作用的数值分析与试验研究
非饱和土渗流-变形耦合的数值分析
件 对 该 耦 合 方 程 组 进 行 求 解 分 析 。 该 方 法 突 破 了 解 析 法 对 非 饱 和 土 导 水 系数 函 数 的 特 殊 限 定 ， 适 用 于 任 意 的 土 水 特 征 曲 线 表 达 式 ； 可 考 虑 到 饱 和 时 的渗 透 系数 以 及 孔 隙 率 是 变 量 。 与 解 析 解 相 还
Ｗ Ｕ Ｌｉ ｈ ｕ ， ｚ ｏ ＨＵＡＮＧ ｎ ｑｉ － Ｒｕ － ｕ
（ ａｔ ｅ ｂ ａ ｏｒ ｆＧ ｅ ｏｇｃ ｌＨ ａ ａ ｄ Ｐｒ ｖｅ ｉ ｎｄ Ｇ ｅ ｏ ｃ ｌＥｎｖ ｒ ｎｍ ｅ ｔ Ｐｒ ｔ ｃ ｉ Ｓｔ ｅ Ｋ ｙ Ｉａ ｏｒ ｔ ｙ ｏ ｏｌ ｉａ ｚ ｒ ｅ ｎｔｏｎ ａ ｏｌｇｉａ ｉｏ ｎ ｏ ｅ ｔｏｎ。
Ｊｎ Ｏ １ ｕ ．２ １
非 饱 和 土渗 流一 变形 耦 合 的数 值 分析
吴礼 舟 ， 润秋 黄
（ 都理 工 大 学 地 质 灾害 防 治 与地 质 环 境 保 护 国 家 重 点 实验 室 ． 都 ６ ０ ５ ） 成 成 １ ０ ９
摘
要 ： 于一 维 非 饱 和 土 的 渗 流 变 形 控 制 方 程 ， 用 Ｆｌｘ Ｐ 基 采 ｅ ＤＥ（ ａ ｔａ ｄｆｅ ｅ ｔ ｌｅ ｕ ｔ ｎ 软 Ｐ ｒｉｌ ｉ ｒｎ ｉ ｑ ａ ｉ ） ｆ ａ ｏ
ｐ ｅ ｉ ｉ ｎｄ ｔ ａ ｅ ｆ ｃ ｉｅ ｙ ｏｌ ｅ ｃ ｐｌｎ ｏ ｌ ｍ ｓ Ｉ ｉ ｆ ｎｄ ｈ ｔ ｏ ｐｌｎ ｅ ｆ ｃ ｏ ｅ ｐ ｇ ａ ｒ ｃｓｏｎ ａ ｉ ｃ ｎ ｆｅ ｔｖ ｌ ｓ ｖ ｏｕ ｉ ｇ ｐｒ ｂ ｅ ． ｔ ｓ ｏｕ ｔ ａ ｃ ｕ ｉ ｇ ｆｅ ｔ ｆ ｓ ｅ ａ ｅ ｎｄ ｄ ｆ ｍａ ｉ ｎ ｉ ｎｓ ｔ ｒ ｔ ｄ ｓ ｉｓ ｐｌｙｓ ａ ｍ ｐ ｒ ａ ｔ ｒ ｌ ｎ ｔ ｒ — ｔ ｒ ｐｒ ｓ ｕ ｅ ｐ ｏ ｉｅ ｅ ｏｒ ｔｏ ｎ ｕ ａ ｕ ａ ｅ ｏ ｌ ａ ｎ ｉ ｏ ｔ ｎ ｏ ｅ ｉ ｈｅ ｐｏ ｅ ｗａ ｅ ｅ ｓ ｒ ｒ ｆｌｓ，ａ ｄ ｔ ｔｔ ｎ ｈａ ｈｅ ｃ ｕｐ ｉ ｆｅ ｔ ｈｏ ｄ ｅ ｏ ｉ ｅ ｅ ｄｕｒｎｇ ａｎｆ ｌ ｉ ｆｌｒ ｔｏｎ． Ａｔ ａ ｌ ｓ ａ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｎｆｌｒ ｔｏ ｏ ｌｎｇ ｅ ｆ ｃ ｓ ｕｌ ｈ ｃ ｎｓｄ ｒ ｄ ｉ ｒ ｉ ａ ｌ ｎ ｉｔａ ｉ ｅ ｒｙ ｔ ｇ ｏｆ ａｎｆ 渗 变形耦 合 ； 降雨入渗 ； 数值 分析
comsol在非饱和土渗流的应用
基于comsol的非饱和土渗流研究/comsol在岩土工程渗流的应用摘要：岩土工程的核心难点即解决地下水问题，一般岩土工程事故都是由于对地下水的影响重视不够而造成的，然而解决这一难点关键在于解决地下水渗流问题。
目前对于非饱和土渗流研究的理论仍相对落后，本文结合非饱和土渗流场基本方程以及由水土特征曲线得到的相关渗流参数（渗透系数，体积含水量），阐明了如何解决渗透模型要求渗流场方程的连续性与现场实测数据的非连续性之间的矛盾，并利用comsol Multiphysics 软件对某工程中非饱和土渗流问题进行了模拟，并验证了Fredlund和xing（1994）土水特征曲线方程的正确性。
这种解决非饱和土渗流问题的思想可供学者参考。
关键词：非饱和土；渗流场；渗流参数；连续性矛盾；Comsol Multiphysics Study on seepage of unsaturated soil seepage based on comsol Abstract:The core difficulty of geotechnical engineering is to solve groundwater problems, the general geotechnical engineering accidents are due to the impact of groundwater caused by insufficient attention, however, the key to solve this difficult problem is to deal with the groundwater flow. At present, for the study of unsaturated soil seepage theory is still relatively backward, this paper combines basic equation of unsaturated soil seepage with soil-water characteristics curve and obtains the relevant flow parameters (hydraulic conductivity, volumetric water content) from them, and illustrates how to solve the conflict between the seepage field penetration model requiring Equation of continuity and the measured data of non-continuity, and using the software comsol Multiphysics to simulate unsaturated soil seepage problems in one project and verified the right of Fredlund and xing (1994) soil-water characteristic curve equation. The idea of solving unsaturated soil seepage problems may be referred by similar projects.Key words: unsaturated soil; seepage field; seepage parameters; continuous conflict; Comsol Multiphysics1引言岩土工程设计与施工的难点在于解决地下水问题，一般岩土工程事故都是由于对地下水的影响重视不够而造成的，像2003年7月14日上海轨道交通４号线工程事故；2007年8月17日山东新汶煤矿透水事故；2008年11月15日杭州地铁工地塌陷事故以及2011年1月1日杭州余杭区-工地土方坍塌事故等等都是由于忽视地下水的影响而造成的。
第章饱和土与非饱和土的渗流
6
图 4.2.3 吸湿－排水情况下的水分特征曲线
土样从饱和到干燥或从干燥到饱和的水分特征曲线称为主线，从部分湿润开始排水或从 半干燥状态重新润湿时，水分特征曲线是顺着一些中间曲线由一条主线移到另一条主线，这 些中间曲线称为扫描曲线。
可将这种界限写为 s a ≤ s ≤ s e ，式中 s a (u f ) 为吸湿作用即将发生的界限（ s& > 0 ），
n = dVv dV
ABAQUS 通常使用孔隙比 e = (dVv dVg ) ，而不是孔隙率。孔隙比与孔隙率之间的转换关系
为：
e = n , n = e , 1−n = 1
1−n 1+e
1+ e
饱和度 s 定义为流体体积与孔隙体积之比：
(4-1)
s = dV f dVv
对于完全饱和介质 s ＝1，而对于完全干燥介质 s ＝0。
积弹性关系，以及材料骨架的力学行为共同构成，视有效应力为总应力和孔隙应力的函数，
所以它也是应变历史与温度的函数，但有效应力原理成立的前提是孔隙压力的变化与总应力 的变化具有相同的应力路径和相同的应变率。
第三章所述的岩土介质的本构模型都可以用来模拟孔隙材料的材料骨架。假定固相材料 与流体有相同的体积应变率，则应变率可分解如下
σ ij = σ i′j + χu f δ ij
(4-3)
通常 χ = χ(s)能够通过实验获得，典型的实验数据如下图：
2
图 4.1.2 χ 实验数据拟合曲线 因为这些实验数据很难测量，所以 ABAQUS 假定 χ = s。
有效应力原理是一种假设，它认为多孔介质的力学响应由流体与固体颗粒之间简单的体
实验数据表明，在非饱和介质的稳态渗流中渗透系数随着饱和度 s3 的变化而变化。因
基于结晶动力学的多孔介质水-热-盐-力耦合模型研究
基于结晶动力学的多孔介质水-热-盐-力耦合模型是一种涉及多种物理场的综合模型，可用于描述多孔介质中水分、盐分、热量和力学过程之间的相互作用和耦合关系。
该模型基于质量守恒、动量守恒、热量守恒和盐量守恒的基本方程，同时考虑了多孔介质的结构和物理特性，以及水分和盐分的结晶动力学过程，具体包括以下几个方面：
多相介质的结构和性质：考虑多孔介质的孔隙结构、孔径分布和孔隙率等特征，以及多相介质的渗透性、压缩性、温度和盐度等影响因素。
水分运移和结晶动力学：考虑水分在多孔介质中的流动、蒸发和结晶动力学过程，以及水分与温度、盐度、压力等因素的相互作用。
盐分运移和结晶动力学：考虑盐分在多孔介质中的扩散、迁移和结晶动力学过程，以及盐分与水分、温度、压力等因素的相互作用。
热量传递和热力学过程：考虑热量在多孔介质中的传递和分布，以及热力学过程对水分、盐分和力学特性的影响。
力学特性和力学过程：考虑多孔介质的力学特性和变形过程，以及力学过程对水分、盐分和热量传递的影响。
综上所述，基于结晶动力学的多孔介质水-热-盐-力耦合模型可以综合考虑多种物理场的相互作用和耦合关系，从而提高对多孔介质中水分、盐分、热量和力学过程的理解和预测能力。
该模型的研究可以为土壤水盐运移、地下水资源管理和地质工程设计等领域提供理论和技术支持。
地下流动系统热-水动力-化学多场耦合数值模拟的方法
地下流动系统热-水动力-化学多场耦合数值模拟的方法【原创版】目录1.引言2.地下流动系统的概述3.热 - 水动力 - 化学多场耦合数值模拟的方法4.数值模拟的应用实例5.结论正文【引言】随着我国地下资源开发与环境保护的需求，研究地下流动系统热 - 水动力 - 化学多场耦合数值模拟的方法具有重要意义。
这种方法可以有效地帮助我们了解地下系统的演化过程，从而为资源开发和环境保护提供科学依据。
本文将对这一方法进行详细介绍，包括地下流动系统的概述、热 - 水动力 - 化学多场耦合数值模拟的方法、应用实例及结论。
【地下流动系统的概述】地下流动系统是指在地下发生的涉及热、水动力和化学反应等多种物理化学过程的系统。
这类系统通常涉及到复杂的岩石、土壤、水文地质条件，以及地下水、石油、天然气等资源的开发与利用。
因此，研究地下流动系统对于地下资源的合理开发和有效保护具有重要意义。
【热 - 水动力 - 化学多场耦合数值模拟的方法】热 - 水动力 - 化学多场耦合数值模拟的方法主要包括以下几个步骤：1.建立数学模型：根据地下流动系统的实际情况，建立描述热、水动力和化学反应过程的数学模型。
2.选择数值方法：根据模型的特点，选择合适的数值方法对数学模型进行离散化。
3.编写或选用数值模拟软件：利用计算机编程语言编写相应的数值模拟软件，或选择现有的商业或开源软件进行模拟。
4.设定边界条件和初始条件：根据实际问题，设定模型的边界条件和初始条件。
5.进行数值模拟：运用数值模拟软件，对模型进行求解，得到地下流动系统的演化过程。
【应用实例】地下流动系统的热 - 水动力 - 化学多场耦合数值模拟方法已经广泛应用于以下几个方面：1.地下水污染研究：通过模拟地下水污染过程，分析污染物在地下水中的传播和衰减特性，为地下水污染防治提供依据。
2.油气资源开发：通过模拟油气藏的运移、聚集和生产过程，为油气资源的有效开发提供科学依据。
3.地热资源开发：通过模拟地热系统的热传递和流动过程，为地热资源的合理开发和利用提供指导。
非饱和土水力全耦合模型与数值模拟方法研究
非饱和土水力全耦合模型与数值模拟方法研究无论是300m级高坝,还是高陡边坡、大型地下工程建设,均无一例外地涉及复杂赋存环境下岩土体渗流、变形与稳定控制问题。
岩土体渗流与变形的耦合作用以及多场多相耦合过程既是近30年来国际岩土力学领域的前沿研究热点,也是大型水利水电工程、深部岩体工程、核废料地质处置工程等建设中迫切需要解决的关键科学技术难题。
本文以非饱和土为主要研究对象,以土体细观结构及其演化为基础,紧密围绕非饱和土水力耦合机理的量化描述、耦合过程的精细模拟、耦合效应的工程控制这一核心科学问题,重点开展了非饱和土水力全耦合本构模型及数值模拟方法等内容的研究。
主要研究成果如下：(1)建立了考虑颗粒黏结效应的非饱和土弹塑性本构模型大量研究表明,非饱和状态下土体颗粒间的黏结效应对其变形具有显著影响。
采用单位接触面积上弯液面引起的黏结力,定义了黏结因子这一具有严格物理意义的独立变量,用以表征颗粒黏结效应对非饱和土力学特性的影响。
基于试验成果,建立了黏结因子与孔隙比的内在联系,推导了加载一湿陷屈服方程,并在修正剑桥模型的框架下建立了三轴应力状态下非饱和土的弹塑性本构模型。
与经典的巴塞罗那模型(Barcelona Basic Model, BBM)相比,该模型仅采用单一屈服面(BBM有2个),模型参数较少(8个,较BBM少4个参数),且物理意义明确,均可通过常规试验确定。
试验验证结果表明,该模型不仅具备BBM模型所有的描述能力,还能够描述脱湿引起的弹塑性变形等复杂力学特性。
(2)建立了考虑变形效应的土水特性与渗透特性演化模型在水力耦合过程中,土体变形及孔隙分布演化对其土水特性具有显著影响。
尽管土体孔隙分布的演化模式较为复杂,但试验研究表明,土体在变形过程中,孔隙分布的基本形态未发生显著变化、统计分布特征基本不变。
以参考状态孔隙分布函数为基础,经平移和缩放给岀了变形条件下土体的孔隙分布函数,进而建立了考虑变形和滞回效应的土水特征曲线模型。
冻土中热水机械蒸汽的多场耦合研究
冻土中热水机械蒸汽的多场耦合研究摘要：本文根据各国学者对冻结土多场的研究成果，对冻结土的多场耦合理论和机理以及冻结过程中温度场、水分场和应力场的动态变化过程进行了分析和研究。
冻土多物理场耦合的研究是一个复杂、多物理、多学科的领域，本文主要从水热蒸汽机械（HTVM）场耦合的方面进行了综述。
本综述有助于促进对冷区土壤冻结过程和冻结过程中冻土耦合机理的研究，促进对土壤冻结过程中多场耦合动态过程的深层、多维理解。
1.介绍冻融沉降是寒冷地区冻土最常见的冻土破坏。
这主要是由于冻土的温度、湿度、应力和浓度场的变化，以及多物理场之间的相互作用（Mu，1987）。
冻土的各种霜冻问题本质上源于多孔介质中的多相耦合（包括固体、液体、气体和热）（Li，2001）。
季节性冻土的土壤稳定性主要受冻融循环中传热、水分迁移和相变化的相互作用和相互影响的控制。
例如，路基的温度、湿度和应力场都是动态变化的。
这些油田之间的耦合效应是造成许多冻害问题的直接原因（Lai，1999）。
因此，有必要系统地回顾冻土多物理场耦合背后的机制。
冻土的多物理场耦合是一个同时考虑多个物理场的复杂的多学科研究部门。
冻土多物理场耦合的研究进一步分为以下几个部分：热水（TH）耦合、热水机械（THM）耦合、热水蒸汽机械（THVM）耦合和热水盐力学（THSM）耦合。
此外，一些学者还致力于研究岩石的热-水-化学-机械（THCM）耦合（Su，2010），这是一个复杂而动态的过程。
近年来，有关冻结场的学术兴趣一般集中在宏观强度性质和热-水-力学耦合本构模型上。
考虑了晶体独特的张力行为和压力熔化，以及冰水相变的结晶动力学模型。
然而，由于缺乏特殊设备，目前进行的本构实验很少考虑微观变形的机理。
因此，迫切需要对微小量表进行本性调查。
2.冻土多物理场耦合技术的研究现状2.1冻土高温耦合技术的发展提出了浅层黄土的TH耦合模型，模型结果与实验结果一致。
通过该模型估算的水分和温度的动态变化，验证了参数选择的可行性和预测浅层冻土水热动力行为的准确性[1]。
温度梯度作用下非饱和黄土水分运移规律
1.1控制方程 土体蒸发过程主要受环境温度、风速、太阳辐射
及土体特性参数等因素的影响，同时土体热量传输也
是影响土体水分蒸发的重要因素。 在数值计算中,考
虑大气环境与土体水分、热量的交换，建立蒸发条件
下非饱和土体水分热量传输模型，并研究分析蒸发状
态时，非饱和黄土内部土体水分热量传输变化量。
(1) 土体水分传输方程在蒸发状态时，探究 非饱和土体水分运动变化规律, 仅考虑土体水分在
K(h)为土体的渗透系数(cm/s);S为植物根系的
水分吸收量，表层取值0o
(2) 土体热量传输方程建立土体热量传输方
程时，不考虑气态水的扩散过程，只考虑液态水对土
体热量传输的影响，其方程式为
dT d A (3) T Cq J,
dz
dZ
(2)
其中:C(3)为介质的比热容(J・g 1・C 1)Cw为
液体比热容(J・g 1・C 1)；(3)为土体导热率(J・
(a)距温顶度端梯距度离5〜/1c5m°C
(b)距温顶度端梯距度离5〜/2c0m°C
Fig. 2
(c)距温顶度端梯距度离5〜/2c5m°C
* lh
亠5h
(d)距温顶度端梯距度离5〜/3c0m°C
20 h - 24 h
图2不同温度梯度作用下土样温度场动态变化
Dynamic change of soil temperature field under different temperature gradients
等方法，对土体中水热运移耦合规律进行了研究；李 彦龙等［57］采用模型模拟试验,对温度梯度条件下的 水分运移规律、非饱和土的基质势梯度和结合水特征 进行了研究分析；石兰君等［］基于室外实际模拟，用 HYDRUS-1D软件对浅层包气带水分运动状态建立 了数值计算模拟,并研究分析了不同时间土体不同深 度处含水量的变化规律；闫亚景等［9］在对边坡水分迁 移研究中，采用了高密度电法;周宏［0］分析了干旱气 候条件下土壤水分迁移的驱动力与能量之间关系；林 宗泽等［11］采用理论与现场验证试验的手段，对土体 水分蒸发过程进行了分析。
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非饱和土中水-热-盐多场耦合作用的数值分析与试验研
究
非饱和土中水-热-盐多场耦合作用的数值分析与试验研究引言
非饱和土是一种具有独特特性的土体，在许多工程和环境领域中起着重要作用。
在这些应用中，非饱和土的水-热-盐耦合作用是影响土体力学和水文过程的重要因素之一。
更深入地了解非饱和土中水-热-盐多场耦合作用的机理和行为，有助于我们更好地理解土壤的水热盐传输机制，提高相关工程和环境问题的解决能力。
本文将重点介绍非饱和土中水-热-盐多场耦合作用的数值分析与试验研究。
一、非饱和土中水热盐耦合作用的背景
非饱和土是指土壤中同时存在液态水和气体的状态。
由于非饱和土中同时存在气体相和液相，其在水-热-盐传输过程中表现出与饱和土不同的特性和行为。
此外，非饱和土中的矩阵效应、气液接触线、毛细效应等也影响着非饱和土的水-热-盐传输特性。
因此，研究非饱和土中水-热-盐多场耦合作用对于理解土壤中复杂传输机理的影响具有重要意义。
二、非饱和土中水热盐耦合作用的数值分析
数值模拟是研究非饱和土中水-热-盐耦合作用的重要手段之一。
通过建立数学模型和求解相应的数学方程，可以对非饱和土中水-热-盐耦合作用进行定量分析和预测。
数值模拟可以模拟不同边界条件和参数组合下非饱和土的水热盐传输行为，从而研究不同因素对土壤水分、温度和盐度的影响。
数值模拟还可以通过对比试验结果，验证模型的准确性和有效性。
在数值分析中，常用的数学方法包括有限差分法、有限元
法和边界元法等。
这些方法可以考虑非饱和土中多相流体的特性和多场耦合作用，进而模拟非饱和土中水热盐传输过程。
通过数值模拟，可以研究非饱和土中水-热-盐的流动规律、数值模拟非饱和土中水-热-盐耦合作用的数值模型和求解方法等。
因此，数值分析是研究非饱和土中水-热-盐多场耦合作用的重要手段。
三、非饱和土中水热盐耦合作用的试验研究
试验研究是研究非饱和土中水-热-盐耦合作用的另一种重要方法。
通过设计合适的试验装置和方案，可以模拟非饱和土中水热盐传输过程，实时监测土壤水分、温度和盐度的变化，从而获取实验数据并分析研究。
常用的试验方法包括恒温恒湿试验、恒温淋溶试验、恒温渗透试验等。
试验结果可以认识到非饱和土中水-热-盐的耦合作用对土壤质量、渗透性和水热盐分布的影响。
通过试验研究还可以对比模拟结果，验证数值模型的准确性和可靠性。
四、非饱和土中水热盐耦合作用的研究进展和应用
近年来，随着计算机技术的发展和实验技术的进步，非饱和土中水热盐耦合作用的研究取得了一系列重要进展。
研究成果不仅深化了对非饱和土水-热-盐传输特性的理解，也为相关工程和环境问题的解决提供了新思路和方法。
非饱和土中水-热-盐多场耦合作用的研究已经应用于土壤污染修复、土壤水分控制、土壤盐渍化治理等领域。
例如，研究表明，非饱和土中的水-热-盐传输特性对于土壤中污染物的迁移和转化具有重要影响，因此可以通过优化土壤水热盐传输特性来增加土壤中有害物质的降解和去除效率。
另外，非饱和土中的水-热-盐特性对农田土壤的水分供给和盐渍化的发生也起着重要作用，通过优化土壤水热盐传输特性可以提高土壤水
分利用效率和抑制土壤盐渍化的发生。
结论
非饱和土中水-热-盐多场耦合作用是非饱和土力学和水文过程的重要因素之一，对于土壤水分、温度和盐度的传输和分布具有重要影响。
数值分析和试验研究是研究非饱和土中水-热-盐耦合作用的两种主要方法。
通过数值模拟和试验研究，可以深入了解非饱和土中水-热-盐的传输规律和特性，为相关工程和环境问题的解决提供有效支持和指导。
未来的研究应进一步加深对非饱和土中水-热-盐多场耦合作用的认识，以提高对土壤水分、温度和盐度传输机理的理解，为土壤工程和环境保护提供更可靠、高效的解决方案
综合以上论述，非饱和土中水-热-盐多场耦合作用在土壤力学和水文过程中扮演着重要角色。
研究表明，优化土壤水热盐传输特性可以提高土壤中污染物的降解和去除效率，并且可以改善农田土壤的水分供给和抑制盐渍化的发生。
数值分析和试验研究是研究这种耦合作用的主要方法，通过这些方法可以深入了解非饱和土中水-热-盐的传输规律和特性。
进一步的研究应该加深对非饱和土中水-热-盐多场耦合作用的认识，以提高对土壤水分、温度和盐度传输机理的理解，为相关工程和环境问题的解决提供更可靠、高效的解决方案。