冻结条件下土壤水热耦合迁移的数值模拟
人工冻土冻结过程中热_力耦合的数值模拟方法研究
；c 为比热（J/kg·℃） ；t 为温度（℃） 。在非 （kg/m3） 相变区，式（3）中的 qv / λ = 0 。 （2）本构方程 当土体中作用一个温度场时，除考虑力场作用下 的应力和应变外，还需要考虑温度场对土体力场的影 响。土中的应力会随着温度的变化而变化，这种由于 温度变化产生的应力被称为热应力。 按照弹性力学方法，建立热应力方程。其中平衡 方程只与物体受力有关，而与产生力的原因无关；几 何方程中应变只与位移有关，而与引起位移的原因无 关， 所以平衡方程和几何方程的形式不变。 在变温时， 弹性体的应变由两部分组成。 （1）自由膨胀引起的正应变分量 ε 0 = αΔt ，其中 α 为膨胀系数，Δt 为温度变化值。自由膨胀引起的剪 应变分量为 0。 （2） 热膨胀时， 土体的应力–应变关系符合广义 胡克定律： 1 ε x = E (σ x − μ (σ y + σ z )) + αΔt ， 1 (4) ε y = (σ y − μ (σ x + σ z )) + αΔt ， E 1 ε z = E (σ z − μ (σ y + σ x )) + αΔt 。 联合温度场微分方程和热力本构关系，可以得到 热力耦合控制方程。 在进行冻胀位移计算时，地铁隧道衬砌管片设为 线弹性材料；土体亦假设为线弹性材料，但其弹性模 量的取值随温度变化而变化；土体的冻胀率通过原状 土的冻胀试验确定。 2.2 计算参数的取值方法 土样的物理力学性质指标、热物理参数随冻结过 程存在较大的变化，若采用常量指标进行运算不符合 实际情况，本文根据室内试验得出导热系数、比热以 及其他指标随温度场的变化规律， 在进行数值计算时， 通过建立比热、导热系数随温度场变化的场变量赋予 冻土的热物理参数，同时也考虑了模量随温度场的变 化。从而建立了计算参数随温度场变化的热力耦合的 数值计算方法。 本文结合天津地铁某联络通道的人工冻土工程， 利用上述方法代入随温度场变化的参数指标进行计 算，具体取值见下文第 3.2 节。
饱和土壤冻融过程中水热迁移数值模拟
饱和土壤冻融过程中水热迁移数值模拟
石春林;虞静明
【期刊名称】《中国农业气象》
【年(卷),期】1998(019)004
【摘要】利用土壤冻融过程的水热传输方程，模拟了饱和土壤冻融的年变化过程，分析了土壤冻结深度的年变化规律和水分向冻结界面迁移的特征。
同时亦对影响土壤冻结深度的温度因子做了探讨。
【总页数】6页(P21-26)
【作者】石春林;虞静明
【作者单位】江苏省农业科学院现代化所;江苏省农业科学院现代化所
【正文语种】中文
【中图分类】S152.8
【相关文献】
1.非饱和土壤冻融过程中水、热耦合运移数值模拟研究 [J], 朱焱;陈晓飞;马巍;邓
友生
2.软岩材料冻融过程中的水热迁移实验研究 [J], 杨更社;周春华;田应国;侯仲杰
3.土壤冻融过程中的多层水热耦合模拟研究 [J], 李佳;周祖昊;王浩;王康
4.粉质粘土冻融过程中水热迁移特性的实验研究 [J], 宋文宇;胡怡然;王维;李炳熙
5.科尔沁草甸地冻融期土壤水热盐动态迁移规律 [J], 刘小燕;刘巧玲;刘廷玺;段利民;岳翠桐
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基于多孔介质理论的冻土水热迁移耦合模型推导
基于多孔介质理论的冻土水热迁移耦合模型推导李杨【摘要】在多孔介质理论的基础上,基于非线性达西定律并假设水分迁移过程为单向、可逆及水分迁移过程中无溶质迁移,推导得出了无相变以及考虑相变的水分迁移方程；引入土体传热方程和土骨架质量密度变化方程,过程中考虑了冻土中温度变化,扩散和对流,以及水分相变和温度、质量变化之间的相互影响.联立各方程得到了非饱和冻土水热分布控制方程,建立了非饱和冻土水热迁移耦合模型.文中亦对模型中具体参数的确定方法提出了建议.方程属于非线性偏微分方程,无法得出解析解,须采用数值解法.%In this paper, unsaturated frozen soil moisture and heat transfer coupling model were established based on the theory of porous media. Assuming that the water migration process was one - way and reversible and without solute transport, water transport equation of without and with phase transition were derived based on nonlinear Darcy's law. Then the heat transfer equation in soil and the change equation of quality of soil skeleton density were introduced into the model and in this process, the temperature variation during phase change of water in frozen soil and the interaction between temperature and quality changes were considered. At the same time, the effect of diffusion and convection were taken into account too. Eventually the equation of water and thermal distribution of unsaturated frozen soil was got. And the method for determining the model parameters was given. Model e-quations are nonlinear partial differential equations, only numerical method but analytical solution can be obtained.【期刊名称】《河北工程大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(029)003【总页数】4页(P11-14)【关键词】多孔介质;季节冻土;水热迁移;耦合模型【作者】李杨【作者单位】福建工程学院土木工程系福建福州350014;吉林大学建设工程学院吉林长春130026【正文语种】中文【中图分类】TU752;TU411.92土体是一种多孔介质，土体中水分的迁移流动属于多孔介质流体流动[1－2]。
冻结过程中非饱和粗粒土水汽迁移及变形演化数值模拟研究
冻结过程中非饱和粗粒土水汽迁移及变形演化数值模拟研究李成艳;张玉芝;蒋薇;王玺【期刊名称】《冰川冻土》【年(卷),期】2024(46)2【摘要】非饱和粗粒土冻胀是季节冻土区路基工程的主要灾害原因。
为探究非饱和粗粒土的冻胀变形规律,针对其冻胀过程特点,基于达西定律和傅里叶定律,本文提出一种描述温度变化作用下适用于非饱和粗粒土水汽迁移的数值模型。
该模型综合考虑了冰水相变和水汽迁移对土体冻胀变形的影响,对比数值模拟结果与室内试验结果,验证了模型的合理性与可行性。
通过气态水通量和液态水通量分析冻结过程中蒸汽在水分迁移中的作用,并利用数值试验进一步探究在不同温度梯度作用下粗粒土水汽迁移和冻胀变形规律的变化特征。
研究表明,在粗粒土冻结过程中,在土柱冻深范围内,气态水有明显的向上迁移趋势,对土体的冻胀有重要贡献。
数值试验中发现,不同冷端温度作用对土样温度变化、含水率变化均产生影响,同时对水汽迁移变化和冻胀变形有显著影响。
在不同冷端温度作用下,高度为20 cm的试样均在高度3 cm左右达到最大含水率,表面最大冻胀量可达约4 cm。
【总页数】10页(P592-601)【作者】李成艳;张玉芝;蒋薇;王玺【作者单位】石家庄铁道大学土木工程学院;石家庄铁道大学河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室;石家庄铁道大学大型基础设施性能与安全省部共建协同创新中心;石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室;新疆农业大学交通与物流工程学院【正文语种】中文【中图分类】TU445【相关文献】1.颗粒形态对粗粒土渗透系数影响的数值模拟研究2.非饱和路基土电渗排水数值模拟及水分迁移研究3.粗粒土渗透变形特性的细观数值试验研究4.气态水迁移诱发非饱和粗粒土冻胀的试验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
饱和正冻土水-热-力耦合作用的数值研究
第26卷第4期 V ol.26 No.4 工 程 力 学 2009年 4 月 Apr. 2009 ENGINEERING MECHANICS246————————————————收稿日期：2007-11-09；修改日期：2008-07-22基金项目：教育部“新世纪优秀人才支持计划”项目(NCET-04-0979)作者简介：*武建军(1964―)，男，山西大同人，教授，博士，从事冻土力学研究(E-mail: wujjun@)； 文章编号：1000-4750(2009)04-0246-06饱和正冻土水-热-力耦合作用的数值研究*武建军，韩天一(兰州大学土木工程与力学学院西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃，兰州 730000)摘 要：基于刚性冰假定和水动力学模型，将土体视为弹性体，建立了考虑应变对水分迁移影响的饱和土冻结过程中水-热-力的耦合动力学模型，利用有限元法和差分法对饱和土冻结过程中水-热-力的耦合作用进行了数值研究，给出了冻土中含水量和应力沿高度的分布规律，讨论了冻结时间、温度边界条件对冻土中含水量分布及应力分布的影响。
研究结果表明：受土体冻结过程中水分向冻结锋面附近迁移的影响，冻结锋面附近的含水量逐渐增加，引起该处应力逐渐增大，从而导致土体发生冻胀变形。
关键词：冻土；耦合；数值研究；含水量；温度；应力 中图分类号：TU445; O347 文献标识码：ANUMERICAL RESEARCH ON THE COUPLED PROCESS OF THEMOISTURE-HEAT -STRESS FIELDS IN SATURATED SOIL DURING FREEZING*WU Jian-jun , HAN Tian-yi(Key Laboratory of Mechanics on Western Disaster and Environment of Ministry of Education, School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou, Gansu 730000, China)Abstract: Based on the assumption of rigid ice and the hydrodynamic model, regarding the soil as elastic, the dynamic model of the coupled moisture-heat-stress process is established considering the influence of the strain due to the moisture migration. By means of the finite element method and the finite difference method, this paper analyzes numerically the coupled process of the moisture-heat-stress fields in saturated soil during freezing. The variations of water content and stress over height in saturated soil during freezing are obtained. The influences of the freezing time and the temperature boundary condition on the distributions of water content and stress are further discussed. The numerical results demonstrate that the water content increases gradually neighboring the freezing front, because the moisture migrates to the freezing front during the freezing process, which leads to the increase of the stress near the freezing front, which in turn causes the frost deformation in frozen soil.Key words: frozen soil; coupled; numerical research; water content; temperature; stress现代多年冻土的分布占全球陆地面积的25%，包括季节性冻土在内则要占到50%[1]；在中国，多年冻土区的分布面积约为2.086×106km 2，季节性冻土区的分布面积为5.137×106km 2，两者合计占全国陆地面积的75%[2]。
《2024年粉质黏土单向冻结冷生构造试验及数值模拟研究》范文
《粉质黏土单向冻结冷生构造试验及数值模拟研究》篇一一、引言随着地球科学的不断进步，对土体在低温环境下的物理力学性质研究逐渐成为重要的研究方向。
粉质黏土作为常见的土体类型，其单向冻结冷生构造过程及其对土体性质的影响，对于理解冻土区工程地质条件、预测冻融作用下的土体行为等具有重要意义。
本文将通过实验和数值模拟两种手段，对粉质黏土单向冻结冷生构造进行研究，旨在为冻土区工程设计与施工提供理论依据。
二、粉质黏土单向冻结冷生构造试验1. 试验材料与方法试验选用粉质黏土作为研究对象，通过制备不同含水率的土样，模拟不同环境条件下的单向冻结过程。
试验设备包括温度控制系统、土样制备装置和应力测量系统等。
2. 试验过程与观察在试验过程中，通过控制温度梯度，使土样进行单向冻结。
同时，通过应力测量系统记录土样在冻结过程中的应力变化。
观察并记录土样在冻结过程中的形态变化、裂纹发育等情况。
3. 试验结果分析根据试验数据，分析粉质黏土在单向冻结过程中的物理力学性质变化。
包括土样的体积变化、应力分布、裂纹发育规律等。
通过对不同含水率土样的对比，分析含水率对土体单向冻结过程的影响。
三、数值模拟研究1. 模型建立与参数设定根据粉质黏土的物理力学性质，建立数值模型。
设定模型中的材料参数，如弹性模量、热传导系数、冻结过程中的相变潜热等。
2. 模拟过程与结果分析通过数值模拟软件，模拟粉质黏土的单向冻结过程。
观察并记录土样在冻结过程中的温度场、应力场、位移场等变化情况。
将模拟结果与试验结果进行对比，验证模型的准确性。
四、结论与讨论1. 结论通过粉质黏土单向冻结冷生构造试验及数值模拟研究，我们得出以下结论：（1）粉质黏土在单向冻结过程中，体积发生变化，应力分布不均匀，出现裂纹发育等现象。
（2）含水率对粉质黏土单向冻结过程有显著影响，含水率越高，土样的体积变化和应力分布越明显。
（3）数值模拟结果与试验结果基本一致，验证了模型的准确性。
2. 讨论本研究虽取得了一定成果，但仍存在一些不足和待解决的问题。
冻融条件下封闭体系中土壤水分运移规律模拟研究
侧 分 布直 径不 等 的通 气孔 ， 于 冷气 在 箱 体 内形 成 便 环 流 ， 障箱体 内温度 分布 均匀 ． 体上盖 预 留灯泡 保 箱 加热 装置 ， 在冻 融箱 内部 中心 位置安装 温度 传感 器 ，
奉次 实 验 是在 定 制 的模 拟 冻融 箱 中进 行 ， 融 冻 箱结 构 ：４ （０×１０Ｘ１０）Ｃｌ， ７ ５ ｔ 三角 钢 骨架 ， Ｉ 外壁 由 聚合 板够 建 ， 四壁 内衬 ２ ｉ 沫板用 于隔热 ， 体 ０ｃ ｎ泡 箱
内部 放置 一 整块 （ ０ ０Ｘ２ ）ｅ 泡 沫板 ， 泡 ２ ０Ｘ１ ０ ｍ ３ 在
径 ２ ￣ ， ２ｃ 的 圆塑 料 桶 ． 其 中的 一 个 塑料 ０（ｔ ０ ｍ ｔ深 － ｆ 在 桶 内按 照 ２ｃ ｍ问 距垂直 安装 温 度传感 器探 头 （ 热敏 电阻 ）０支 ， １ 用于 土柱垂 直温 度 的监 测 ． 箱体 内保 留
移 也有很 大 的影 响 ． 过 室 内模 拟 大 自然 冻 结 、 通
控制 监测 箱体 温度． １３实验方 法与 步骤 ．
１ 实 验材 料 与方 法
１ １实验 材料 ．
实验 材料 采 用兰 州 黄土 ， 其机 械 成 分和 物 理性
质 列于 表 １中 ， 根据 土壤化 学 分析 ， 土 的含盐 量 为 该
封 闭体系下均质样 品 的冻 融实验 共平 行放 置 ２ ４
个样晶 ， 中 １ 其 ２个用 于冻 结 实验取 样 ， 外 １ 另 ２个用
０ １３ ， 品 经 自然 风干后 过筛 １０ 目混合均 匀 ． ．９ ％ 样 ０
表 １ 兰 州 黄 土 的 机 械 成 分 和 物 理 性 质
埋地管道周围土壤水热耦合温度场的数值模拟
文章 编号 ： ６ ２ ９ ２ ２ ０ ） １ Ｏ ４ — Ｏ １ ７ —６ ５ 【 ０ ７ Ｏ 一 Ｏ Ｏ ４
埋 地 管道 周 围土 壤 热 △ 场 的数值 模 拟 水 耦 日度 口皿
马 贵 阳 ，刘 晓 国 ，郑 平
（ 宁石 油化 工 大 学 储 运 与 建 筑 工 程 学 院 ，辽 宁 抚顺 １ ３ ０ ） 辽 １ ０ １
维普资讯
第２ 卷 第 １ ７ 期
辽
宁
石
油
化
工
大
学
学
报
Ｖ １２ Ｎｏ １ ｏ． ７ ．
２０ ０ ７年 ３月 Ｊ ＯＵＲ ＮＡＬ ＯＦ Ｌ ＡＯ ＮＧ ＵＮＩ Ｒ Ｉ Ｙ ＯＦ Ｐ ＴＲ Ｅ Ｉ ＮＩ ＶＥ Ｓ Ｔ Ｅ ＯＬ ＵＭ ＆ ＣＨＥ Ｃ Ｌ Ｔ Ｃ ＭＩ Ａ Ｅ ＨＮ Ｏ Ｙ Ｍａ ．２ ０ ＯＬ Ｇ ｒ ０７
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摘
要 ： 冻 土 区埋 地 管 道 遇 到 的 最 常 见 问 题 是 冻 害破 坏 ， 究埋 地 管 道 发 生 冻 害及 其 科 学 有 效 的 防 止 方 法 ， 研
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冻结条件下土壤水热耦合迁移的数值模拟
土壤水热耦合迁移是指土壤中水分和热量在空间和时间上的相互作用过程，其结果表
现为蓄水能力和温度及其变化率之间的关系。
由于土壤的蓄水能力和耗热能力的影响，水
分和热量的迁移受到显著的限制。
然而，对于沟渠内进行冻结条件下的土壤水热耦合迁移。
模拟难度较高，传统数值模拟方法无法在计算时间和计算精度之间进行平衡。
为了改变这种情况，研究者们在近年来提出了一些新的数值模拟方法，以模拟土壤水
热耦合迁移的冻结条件下的土壤水热耦合迁移。
重要的研究将多屏蔽模型与迭代路径模型
结合，模拟水热耦合的迁移的过程。
其基本原理是将土壤局部不同的水迁移方程，热量迁
移方程分割拆分，在局部位置乘以非简单的函数系数。
然后可以建立起有效迭代，从而在
计算时间和计算精度之间更加平衡。
另一方面，对于不同土壤类型，存在显著的土壤理化性质差异，以影响其水热耦合迁
移的过程。
在这种情况下，在建立数值模拟模型时，需要考虑不同土壤类型的地层特性，
进一步建立更加综合考虑的水热模型，探讨土壤因素相互作用对水热耦合迁移过程的影响，以期更好地模拟和预测沟渠内冻结条件下的土壤水热耦合迁移过程。
总而言之，土壤水热耦合迁移在冻结情况下，更加复杂，但如果采用有效的数值模拟
手段，且考虑到不同土壤类型的因素，则可以更好地模拟冻结条件下的土壤水热耦合迁移
的过程。