岩土工程中水热力三场耦合的计算模型及数值模拟方案
冻土区油气管道周围土壤的热水力三场的数学模型
水热状况动态变化 以及应力场与变形场的分布规律 ， 也必然 影
目前 ， 述 冻 土 区 埋 地 油 气 管道 土 壤 的三 场 耦 合 模 型 需 要 描
考虑的 因素 为 ： 大气季节 性温度变化 、 水分迁移、 水相变、 冰 土 壤 的应力场与变形场、 管道沿程温度 的变化、 管道 的位移。 张争
嘉，］【 ］ ［ ＋ 九 昌，
…
程 中携带热量 ， 引起土壤含水率、 并 热物性参数 的变化 ， 水分迁
移会对温度产生影响 ， 因此在实际管道研究 中也多以水热耦合 场 来分析。土壤作为多孔介质 ， 水分在其 内部流动与相变 的过
在 融 化 区 内：
等 杀 等＋ ） ＝ ） 导
道 周 围土 壤 冻 融 过 程 中 热 水 力三 场 的变 化 。 目前在 道 路 和 桥 梁
管壁 、 防腐 层 、 温层 ： 保
等 等 等 ＝ 卜导 ］
、
式中 ： “ 者 分别为冻结 区内土体 的密度 、 度、 带 ｆ ” 温 热容和
导 热 系数 ； “ ” 为 融 化 区 内相 应 的物 理 量 ； “” 为第 ｉ 带 ｕ者 带 ｉ者 层
质量守恒方程：
的变化 ， 因此热水力三场的耦 合在冻土 区埋地油气管道周围的 土体 中是客观 存在 的，其耦合效应将 直接影响冻土 的稳定性、
鲁＋ ｕ ｓ一 ）
式 中： Ｕ为流体 速度 ，， Ｐ为流体 密度 ，为时间。 ｔ 动量守恒方程：
… 响 到 油 气 管道 的安 全 稳 定 运 行 。
Ｄ 讨研 与 探 究
冻土 区油气 管道周 围土壤 的 热 水力三 场 的数学模 型
文 ／ 洪江 吕宏 庆 薛
摘 要 ： 对 穿 越 冻 土 区 埋地 管道 存 在 冻 害破 坏 的安 全 问题 ， 据 冻 土 区管 道 周 围 实 际 环境 的 具 体 针 根
水-盐-温-力多场耦合作用模型研究综述
水-盐-温-力多场耦合作用模型研究综述
吴安平;杨保存;王荣
【期刊名称】《水利与建筑工程学报》
【年(卷),期】2022(20)2
【摘要】寒旱区盐渍土环境,在以水-盐-温-力多场耦合作用为内因的水盐干湿循环和盐冻融循环共同作用下,使该区域的岩土结构发生损伤破坏。
因此,水-盐-温-力多场耦合作用模型研究成为了环境作用研究领域的热点和难点。
为了在细观上定量描述水分、盐分在温度变化下相态变化所引起的结构内部应力应变,在宏观上确定水-盐-温-力多场耦合作用对岩土体的损伤破坏程度,在国内外研究学者对多场耦合数学模型研究成果的基础上,采用理论分析的方法,分别从水盐运移模型、水热耦合模型、水热力耦合模型、水热盐耦合模型、水热盐力(HTSM)四场耦合模型几个方面进行综述研究,建立了在水分迁移方程中考虑结晶水含量、在水盐运移方程中考虑结晶盐固-液相变所引起的溶质摩尔质量的变化、在热流运输方程中考虑结晶盐相变潜热的寒旱区盐渍土水-盐-温-力多场耦合作用模型,为寒旱区盐渍土多场耦合作用的岩土结构损伤破坏机理研究和防灾型结构设计提供理论依据。
【总页数】6页(P216-221)
【作者】吴安平;杨保存;王荣
【作者单位】塔里木大学水利与建筑工程学院;塔里木大学南疆岩土工程研究中心【正文语种】中文
【中图分类】O347
【相关文献】
1.消力池底板混凝土-水-化学多场耦合模型及数值模拟
2.基于水热耦合模型的干旱寒冷地区冻融土壤水热盐运移规律研究
3.THMC多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型研究综述
4.水-力耦合作用下单裂隙灰岩三轴压缩与声发射试验及压剪断裂模型
5.水–盐–温环境耦合作用模拟实验系统研究
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数值模拟在复杂岩土体工程问题中的应用
数值模拟在复杂岩土体工程问题中的应用岩土工程是研究土石质材料在施工、使用和环境等多种不同条件下的性能、特性和行为的一门交叉学科。
岩土工程在水、土、岩开挖工程、水利水电工程、交通运输工程、环境工程领域拥有广阔的应用前景。
复杂岩土工程问题是当代岩土工程研究中的重要内容，数值模拟技术在解决这些问题中起着越来越重要的作用。
一、数值模拟技术的基本原理和应用在众多数值模拟工具中，有限元方法和边界元方法是岩土工程中最常用的。
有限元方法是目前国内外岩土工程中应用最广泛的一种数值计算方法。
它基于弹性力学理论和数学计算方法，把连续性介质分割成相对较小的单元，通过在单元内求解各自的节点位移或应变来得到整个模型的应力、应变分布、位移和变形等信息。
而边界元方法是建立在基本解或 Greens 函数的概念上，通过在物理场的边界上建立边界条件，从而得到解决非均匀材料分布或非线性行为问题的能力。
数值计算技术在岩土工程中的应用面非常广泛，包括边坡的稳定性分析、地震波传播和地震反应分析、土方量的估算和构造地质模型的构建等。
其中，边坡稳定性分析在岩土工程中属于比较典型和复杂的问题之一。
通常边坡的稳定性分析涉及到多种因素如土体的物理特性、岩土界面的摩擦角和强度、地球物理因素等。
数值模拟技术可以很好地模拟不同参数对边坡稳定性的影响，特别是在复杂地质情况下对边坡稳定性的影响，可以更好地应对实际工程问题。
二、数值模拟技术在复杂岩土体工程问题中的应用2.1.岩土体的数值分析岩土体多场耦合问题包括注水、渗透、强度、变形、破裂、岩-土接触等现象，是复杂岩土体工程问题中最具挑战性的问题之一。
这些问题在采矿、建筑和水电等工程中都有深刻影响。
数值模拟技术以其强大的处理能力，极好地应对这些问题。
2.2.岩土动力学问题的数值分析岩土动力学问题是指在地震、爆炸或风暴等自然灾害下，岩土体的应力变化达到一个新平衡的过程。
它是复杂岩土体工程问题中的难点问题。
通过对岩土动力学问题的数值模拟，可以计算出岩石结构的本质特性和对岩石力学性质的改变，进而探索不同条件下的地震灾害诱发因素和发展机理，从而寻找减灾措施和减轻灾害的途径。
岩土工程中的数值模拟方法及工程应用
岩土工程中的数值模拟方法及工程应用岩土工程是一门研究土体和岩石在水、力和热的作用下行为特性及其在工程实践中应用的学科。
随着计算机技术的不断发展和应用，数值模拟方法已经成为岩土工程中必不可少的研究手段之一。
本文将从有限元方法、离散元方法和边界元方法三个方面探讨岩土工程中常见的数值模拟方法及其工程应用。
一、有限元方法有限元方法是目前最为广泛应用的岩土工程数值模拟方法之一，其主要特点是可以进行非线性和非平衡的分析。
在岩土工程中，有限元方法主要用于模拟岩土体在受力下的变形和破坏过程。
有限元方法的求解过程可以划分为以下三个步骤：1. 离散化——将复杂的物理问题离散化为条形单元进行计算，使得计算变得简单；2. 建立方程——将有限元模型建立为代数方程组，通过求解方程组得到解；3. 处理结果——利用分析结果来展示研究对象的物理特性和行为。
在岩土工程中，有限元法主要用于地下工程和地震工程等方面的研究，比如隧道围岩和坝体安全评价、塑性材料本构模型细化、岩石三轴试验模拟等。
有限元法的应用使得传统规律模型得以精细化，模拟效果更加接近实际情况。
二、离散元方法离散元方法是一种用离散单元来描述物质状态、分析物质运动的力学方法。
离散元方法是一种适用于多体动力学和岩土体力学问题的数值分析方法。
离散元方法的特点是将物体分解成为微小单元进行数值模拟，从而得到宏观上看起来的结果。
在岩土工程中，离散元方法主要用于土体颗粒流、岩体破坏分析、地震工程模拟等方面的研究。
离散元法常用于研究固体、颗粒和流体的耦合问题，如土石流运动规律研究、软黏土土体力学性质研究等。
三、边界元方法边界元方法，也叫边界积分方法，是一种应用在数学物理问题上的计算算法。
该方法不需要离散化处理，只需要在表面上建立边界元网格即可。
在岩土工程中，边界元方法主要用于颗粒间相互作用、地下水流、地震动等方面的研究。
边界元方法的优点是不需要建立离散网格，仅需在边界上建立少量的节点，计算速度较快，且精度较高，由此常用于模拟地下水流动或地震波传播。
岩土工程中水热力三场耦合的计算模型及数值模拟方案
三场耦合简介
• 三场耦合最早的 使用在垃圾场填埋中。 垃圾填埋涉及到多场 耦合作用。 包括：温度场
渗流场 化学场 固结效应
三场耦合模型简介
在1976年，有Hardin首先把三场耦合应用在冻土路基的研究 中。
对三场耦合模型目前的发展情况和存在的问题都进行了阐述 下面对面前的工作做简单的回顾。 • 对季节性冻土区路基水热力三场耦合的数学模型中，包含
温度场、水分场、应力场。 • 三场耦合模型：
三场耦合模型
• 温度场
CP
T t
=K
2T
X
2
2T Y 2
QV
L
fs t
• 边界条件：定温边界、对流边界、辐射边界。
温度场边界条件
• 所以，可以看出在空气对流和热辐射确实可以带来短时间 的温度变化。冻土路基因为暴露在空气中，最理想的边界 条件应选取与空气的对流边界和阳光的辐射边界。
)
• 根据长春地区年平均气温， • T0取-5.4度，即全年的平均气温。 • g（t）为逐年升温函数，通常去0.022度，单位为年 • A取11.5度，即测量当日气温。选取8月20日为基准日，
其中t的单位为旬，即10天。
温度拟合值
拟合温度值
拟合温度曲线
温度场边界条件
• 单位的转化。COMSOL单位是S,需要对单位进行转换， 并改写成COMSOL格式。
匀同质。 • 模型建立
路基矩形与梯形相结 合的几何模型。 长75米，深10米，路 基高5米。
冻土路基温度场
• 温度场控制方程，参考时间项控制方程。
边界条件
• 根据前面对边界条件的介绍，定温边界。
• 赖远明院士给出根据年平均气温拟合的正弦函数温度公式
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。
土体水热力耦合问题研究意义、现状及建议
土体水热力耦合问题研究意义、现状及建议土体水热力耦合问题是水利、土木工程和冶金等许多相关领域的研究热点，其研究现状与意义在当前越来越受到重视。
本文阐述了土体水热力耦合问题研究的意义、现状和建议，以期为此领域的研究提出实用的指导意见。
一、土体水热力耦合问题研究意义土体水热力耦合问题是水利、土木工程和冶金等许多相关领域的热点研究，研究其特性和特征具有重要的理论意义和实际意义。
（1）具有重要的理论意义。
目前，研究土体水热力耦合的理论模型仍处于萌芽阶段，如何从宏观和微观方面研究土体水热力耦合的演化过程仍有待进一步研究探索。
因此，研究土体水热力耦合问题具有重要的理论意义，可为土体水热力耦合机理的理论建模提供科学指导。
（2）具有重要的实践意义。
土体水热力耦合具有复杂的流变特性，而土体水热力耦合的地质生态环境也非常复杂，其特性具有时空变化性，使得传统的水文测量和水质监测更加复杂。
土体水热力耦合的研究有助于揭示土体水热力耦合控制的规律性，为在水文测量、水质监测等领域提供有效的技术支撑。
二、土体水热力耦合问题研究现状（1）目前，土体水热力耦合理论模型的研究仍处于萌芽阶段，实际应用较少。
目前，在国内外，研究者都把土体水热力耦合问题作为一种全新的科学研究方向，近年来，对土体水热力耦合问题也受到了越来越多的重视。
（2）目前，土体水热力耦合问题研究的主要方向有：研究土体水热力耦合的理论模型；研究土体水热力耦合的数值模拟；研究土体水热力耦合的实验研究；研究土体水热力耦合的应用等。
三、土体水热力耦合问题研究建议（1）完善土体水热力耦合理论模型。
针对土体水热力耦合问题，应从宏观和微观角度进行理论探究，完善土体水热力耦合的理论模型，促进研究的实用性和功能性。
（2）注重实践应用：尽量把研究成果以实践应用为主，加强对土体水热力耦合能力的综合评价，以期为土体水热力耦合的实际应用提供技术支撑。
（3）提高软件建模开发能力，建立完善的软件计算模型，方便勘测、预测和评价土体水热力耦合现象，提高土体水热力耦合研究的层次。
多物理场耦合问题的数值模拟方法与应用研究
多物理场耦合问题的数值模拟方法与应用研究引言：多物理场耦合问题是指不同物理学领域中的多个场的相互影响和关联问题。
这些问题在科学研究和工程应用中经常出现，如电磁场与热传导场的耦合、流体力学与结构力学的耦合等。
为了深入研究和解决这些问题，物理专家们运用物理定律和数值模拟方法进行实验研究。
本文将介绍多物理场耦合问题的数值模拟方法和实验准备，接着探讨实验的应用和其他专业性角度。
一、多物理场耦合问题的数值模拟方法多物理场耦合问题的数值模拟是指通过计算机模拟的手段，通过数学模型求解物理问题，从而得到问题的展示和结果。
在这个过程中，需要结合物理定律和计算方法，包括数值方法、迭代法等。
下面以电磁场与热传导场的耦合问题为例，介绍数值模拟方法的步骤和流程。
1. 确定物理方程：首先，根据问题的具体情况，确定物理方程，即电磁场方程和热传导方程。
电磁场方程可以是麦克斯韦方程组，而热传导方程可以是热传导定律。
这些方程描述了物理场的变化和关系。
2. 制定数值模型：在确定物理方程之后，需要将其转化为数值模型。
数值模型是将连续的物理方程转化为离散的数值问题，通常基于有限元、有限差分等方法来实现。
在多物理场耦合问题中，需要将电磁场方程和热传导方程进行耦合，即将它们同时考虑。
3. 设计离散网格：离散网格是数值模拟的基础，用于将问题的定义域分割成小的区域。
对于多物理场耦合问题，需要设计合适的网格，既要保证数值模型的准确性，又要考虑计算资源的消耗。
4. 确定边界条件和初始条件：边界条件和初始条件是数值模拟问题的关键要素。
通过确定合适的边界条件和初始条件，可以合理地模拟物理问题的实际情况。
在多物理场耦合问题中，需要考虑电磁场和热传导场的边界条件和初始条件，使其协调一致。
5. 开展数值求解：基于数值模型和边界条件、初始条件，进行数值求解。
这一步骤通常使用计算机程序进行，通过迭代和逐步求解的方法，逐渐逼近问题的解。
6. 分析结果与验证：得到数值求解后，需要对结果进行分析和验证。
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计算结果
温度场变化
温度场变化曲线
路基中心点，温度变化曲线
应变曲线
应变曲线
应变曲线
路基顶面中心点应变曲线
小结
• 由于没有考虑相变的影响，路基考虑为弹性本构。 • 所以，结构呈现很好的线性曲线。但，不考虑相变的影响， • 土体的温度热膨胀应变不大。 • 下一步工作 • 在模型中加入水分场并加入相变变化。 • 把模型更加细化，路基土层分层建立，设置不同材料参数。 • 结合前期观察的冻土数据进行比较。 • 模型建立完成后，也可以考虑在模型上加载汽车动荷载。
其中t的单位为旬，即10天。
温度拟合值
拟合温度值
拟合温度曲线
温度场边界条件
• 单位的转化。COMSOL单位是S,需要对单位进行转换， 并改写成COMSOL格式。
应力场模型
• 本构关系选取弹性本构。
边界条件
三边固定边界、顶部自由边界。
初值：考虑重力影响。
求解
• 计算步长 • 由于已旬为单位。 • 总计计算一年，总计36旬 • 每一旬输出一个结果。 • 计算了2年
[a]：热膨胀系数
•
T：温度
• 根据后面的计算土体在未冻结的情况下温度变化的膨胀很 小，约有零点几毫米。
• 所以，主要考虑的还是相变引起的热膨胀
介绍几个模型
• 在多孔介质中，水热耦合作用下，土中水分的迁移和温度 场的分布模型。
• 选取矩形二维土箱
温度引起的渗流场流动
流速场
温度场
水分迁移
模型建立
冰水相变模型
选取一个冰柱
伴随相变的温度 变化曲线
会进一步把相变融入到 模型中
基坑开挖
COMSOL优劣简介
• 优势 • COMSOL的特点就是多场耦合的计算。 • 核心是解偏微分方程。 • 计算速度快
• 不足：后处理能力稍差。不能像ABAQUS一样，建模后可 以对模型任意后处理分析。
希望各位多多批评指正 谢谢
• 但是这两种边界的随机性比较强，也不够稳定，都是短时 间效果比较强。单在一个冻融周期内，大时间跨度下考虑 以平均温度作为边界条件的定温边界比较合适。
水分场
• 水分场一般分为渗流场和流体场。 • 通常描绘水分场的方程有：布莱克曼方程、理查方程、
达西渗流定律。
水分场
• 通常冻土中水分的迁移被认为是和饱和土中水分的迁移模 式相类似。所以，在模型中，选用达西渗流定律。
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
路基矩形与梯形相结 合的几何模型。 长75米，深10米，路 基高5米。
冻土路基温度场
• 温度场控制方程，参考时间项控制方程。
边界条件
• 根据前面对边界条件的介绍，定温边界。
• 赖远明院士给出根据年平均气温拟合的正弦函数温度公式
T
(t)
T0
g(t)
A0
sin(
2 36
t
5 9
)
• 根据长春地区年平均气温， • T0取-5.4度，即全年的平均气温。 • g（t）为逐年升温函数，通常去0.022度，单位为年 • A取11.5度，即测量当日气温。选取8月20日为基准日，
COMSOL 软件介绍
三场耦合简介
• 三场耦合最早的 使用在垃圾场填埋中。 垃圾填埋涉及到多场 耦合作用。 包括：温度场
渗流场 化学场 固结效应
三场耦合模型简介
在1976年，有Hardin首先把三场耦合应用在冻土路基的研究 中。
对三场耦合模型目前的发展情况和存在的问题都进行了阐述 下面对面前的工作做简单的回顾。 • 对季节性冻土区路基水热力三场耦合的数学模型中，包含
• 但由于影响因素众多，物理过程复杂。需要做如下简化： • 应力场假设： • 1、路基为各向均质同性。 • 2、土体中土颗粒与冰颗粒不可压缩，土体为线弹性本构。 • 3、路基土体只受重力和热膨胀力作用。
应力场
• 控制方程
DD DT
•
[D]:弹性矩阵
•
• COMSOL建模过程 • 首先，选择维度
• 其次，选择合适的物理场
模型建立
第三步，选择求解方式 瞬变含有时间关联项T 稳态不含有时间关联项
模型建立
• 第四步，对全局参数进行设置
冻土路基热-力耦合模型
• 热力耦合模型 • 目前没有考虑相变和水分场的影响，土体目前采用各向均
匀同质。 • 模型建立
工作汇报
赵亮
COMSOL 软件介绍
• 工作情况主要是，学习使用COMSOL软件，来模拟冻土 路基的水热力三场耦合的问题。
• 在COMSOL学习过程中，模拟了土体中水分迁移的模型、 Biot固结、土体开挖。
• 并且，在COMSOL上建立了冻土路基模型，进行了温度 场和力场耦合计算。
COMSOL 软件简介
温度场、水分场、应力场。 • 三场耦合模型：
三场耦合模型
• 温度场
CP
T t
=K
2T
X
2
2T Y 2
QV
L
fs t
• 边界条件：定温边界、对流边界、辐射边界。
温度场边界条件
• 所以，可以看出在空气对流和热辐射确实可以带来短时间 的温度变化。冻土路基因为暴露在空气中，最理想的边界 条件应选取与空气的对流边界和阳光的辐射边界。
V KJ
式中：v为渗流速度； K为岩土的渗流系数 J为水势梯度
水分场
t
=K
2
X 2
+
2
Y 2
• 再未考虑相变情况下的水分场控制方程。
应力场
• 应力场是作为冻土路基是否破坏的最直接的表现。是三场 耦合计算模型中揭示路基病害机理的关键，也是冻土路基 抗冻害设计的一个前提。