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。
土体水热力耦合问题研究意义现状及建议
第26卷第3期 岩 土 力 学 V ol.26 No.3 2005年3月 Rock and Soil Mechanics Mar. 2005收稿日期：2003-12-10 修改稿收到日期：2004-04-25基金项目：国家自然科学基金项目（No. 50308024）和陕西省自然科学基金（No.2001C28）资助。
作者简介：王铁行，男，1968年生，博士后，副教授，从事岩土工程方面的教学、科研和生产工作。
E-mail: wangtiexing@文章编号：1000－7598－(2005) 03－0488－06土体水热力耦合问题研究意义、现状及建议王铁行1, 2，李 宁2，谢定义2(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055； 2.西安理工大学 岩土工程研究所，陕西 西安 710048)摘 要：基于浅层土体水分场、温度场、应力场和位移场的相互影响，对水热力耦合问题在黄土、冻土、膨胀土、土壤学等领域的研究意义进行了阐述，并对水热力耦合在上述领域研究现状作了回顾和总结。
进一步分析了水热力耦合作用机理性研究的不足，指出：通过水热力耦合作用机理性研究确定水热力耦合参数及变量，应是现时进行水热力耦合研究的中心问题。
关 键 词：水热力耦合；黄土；冻土；膨胀土；土壤 中图分类号：U 416.1 文献标识码：ANecessity and means in research on soil coupled heat-moisture-stress issuesWANG Tie-hang 1,2, LI Ning 2, XIE Ding-yi 2(1.College of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and technology, Xi’an 710055, China; 2.Research Institute of Geotechnical Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)Abstract : Taking the influence each other among the moisture field, thermal field, stress and deformation field of soil body into account, the necessity of research on coupled heat-moisture-stress issues about loess, amargosite, frozen soil and pedology is explored. Then the research progress in the issues is reviewed and summarized. After that based on the analysis of the research work up to now, the weakness of mechanism research of soil coupled heat-moisture-stress issues is revealed; and it is pointed that defining the coupled parameters should be the heart of the matter.Key words: coupled heat-moisture-stress; loess; frozen soil; amargosite; pedology1 土体水热力耦合研究的意义地表浅层土体是工程活动的主要对象，由于受到气候及土体自重和其它附加荷载的影响，土体中的温度场、水分场、应力场和位移场均是变化的，而且相互影响。
基于多物理场耦合的热处理数值模拟方法研究
基于多物理场耦合的热处理数值模拟方法研究近年来，热处理技术在材料加工领域中发挥着重要作用。
热处理过程中，多种物理场的相互作用导致了复杂的热力学、力学和电磁学现象。
为了更好地理解和优化热处理过程，研发一种基于多物理场耦合的热处理数值模拟方法势在必行。
基于多物理场耦合的热处理数值模拟方法旨在通过模拟不同物理场之间的相互作用，揭示热处理过程中的复杂现象，并提供精确的数值预测。
该方法的研究需要考虑多个物理场之间的相互关系，如热传导、热辐射、力学应变和电磁场等。
通过对这些物理场的耦合模拟，可以更真实地模拟材料加热、冷却和变形等过程。
首先，热传导是热处理模拟中的一个重要方面。
热传导是指热量在材料中传递的过程，它受到材料的热导率、热容量和温度梯度等因素的影响。
在热处理过程中，通过数值模拟热传导的过程，可以准确地预测加热速率、温度分布和相变等热处理过程中的关键参数。
其次，热辐射是另一个需要考虑的重要领域。
热辐射是指通过辐射传递热量的现象，它与材料的温度和表面特性密切相关。
在热处理过程中，热辐射对温度分布和材料加热速率具有重要影响。
通过模拟热辐射的过程，可以更准确地计算热处理过程中的温度分布和热量交换。
此外，力学应变也是热处理数值模拟中需要考虑的一个重要因素。
在热处理过程中，材料会发生热膨胀、热应变和塑性变形等现象，这些现象对材料的性能和形状稳定性具有重要影响。
通过模拟力学应变的过程，可以预测材料的应力分布、形变情况和应力松弛等重要参数。
最后，电磁场也是热处理数值模拟中不可忽视的因素。
在某些特殊的热处理过程中，如感应加热和电场加热等，电磁场对材料的加热和相变过程起着重要作用。
通过模拟电磁场的分布和变化，可以预测材料的电磁响应和加热效果。
综上所述，基于多物理场耦合的热处理数值模拟方法是一种重要的研究方向。
通过模拟热传导、热辐射、力学应变和电磁场等多个物理场的相互作用，可以更真实地模拟热处理过程中的复杂现象。
这种方法的研究对于优化热处理工艺、提高材料性能和节约能源具有重要意义。
水力发电机组的三维数值模拟及流固耦合分析
水力发电机组的三维数值模拟及流固耦合分析水力发电是一种环保、可持续的发电方式，得到了越来越多的关注。
对于水力发电机组的研究和优化，三维数值模拟及流固耦合分析是一种非常有效的方法。
一、水力发电机组的工作原理水力发电机组是利用水能转换成机械能的原理，通过涡轮转动带动发电机发电。
水流经过水利水电工程中的水电站，先经过水闸，随后进入水轮机进口，水轮机由导叶、进口管、转轮和出口管构成。
水流进入导叶后，流速被分散和调整，再经过进口管的导向和加速，最后进入转轮。
流动的液体受到转轮叶片的作用，机械能通过转轮传递到涡轮轴上，再经过发电机进一步转化为电能，最终输入电网。
二、水力发电机组的三维数值模拟为了优化水力发电机组的设计和运行，工程师和研究人员需要对机组内液体的运动和机械受力进行分析。
由于水流在机组中的运动过程是三维、非定常、湍流的，采用数值模拟方法可以更加准确地模拟机组内部的流场。
数值模拟方法主要有雷诺平均Navier-Stokes方程模拟（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations，RANS）和大涡模拟（large eddy simulation，LES）。
RANS方法可以计算流场的平均值和涡动，而LES方法可以较为准确地模拟具有大尺度涡动结构的流场。
在进行数值模拟时，需要对机组内部的几何形状进行建模。
使用计算流体力学软件，例如ANSYS Fluent或OpenFOAM，可以有效地进行模拟。
首先建立几何模型，随后设置网格划分参数，在计算机上划分网格。
接下来，选择模拟方法，并设置模拟条件和边界条件。
在使用RANS方法时，需要设置湍流模型，而在LES方法中，则需要设置滤波器和子网格模型。
最后，运行模拟程序，计算出机组内部的流场参数和压力分布。
通过数值模拟，可以对水力发电机组的设计和运行进行优化，提高机组的性能和效率。
三、流固耦合分析水力发电机组是一个典型的流固耦合系统。
在机组运行过程中，水流不仅对机械叶片产生力学作用，也会受到机械叶片的阻力作用，从而影响机组内部的流场分布。
THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展
•深部能源与资源开采中，经常渗及到复杂的赋存环境，岩体在高温、高渗透压、高应力及复杂水化学环境中将发生多场耦合效应。
场的概念源于物理学中的电场、磁场等，在岩石力学相关研究中涉及到的场主要有应力场、温度场、水流场、化学场、变形场、结构场等。
在开挖过程中，岩石所处的作用场不断演化，最终在多场作用下会出现直接耦合和间接耦合、双向耦合和单向耦合等不同的多场耦合关系。
近年来，岩石多场耦合作用相关的项目收到业界的广泛关注，为了更好地分析岩石在多场耦合作用条件下的作用机理，主要通过实验和数值模拟两方面进行研究。
国内外学者早期对于岩石多场耦合作用下的力学试验研究，主要通过单一场作用、两场作用的试验研究不同场对岩石力学性能的影响，主要集中在应力场、水流场、温度场方面。
近年来随着实验设备的改进和升级，基于不同研究背景的应力场、水流场、温度场、化学场综合考虑的多场耦合作用的试验设备不断出现，同时研究岩石损伤及破坏过程的微观试验设备也逐渐得到创新。
另外，在模拟多场耦合作用下的岩石破坏过程中，传统的有限元模型通常建立在岩石理想的连续各向同性体的抽象模型上，很难准确描述有明显各向异性特征的岩石的力学性能，因此其数值模拟的结果也将失去参考价值。
随着有限元的发展，如今的研究中，已经将岩石的物理力学参数通过试验得出，并应用到数值模拟中。
计算机技术的发展和数值模拟软件的发展为研究岩石多场耦合作用下的相关研究提供了较大的帮助，为很多世界难题的研究提供了参考。
1. 实验装置研发和实验方法拓展岩石的力学性能试验使用的设备主要为岩石力学试验机，随着试验机的改进和研究，出现了美国、德国生产的液压伺服试验机和通过计算机控制操作的试验机1.1 多场耦合实验设备的改进与优化随着岩石多场耦合作用研究的深入，科研人员开始专注于研制高温高压条件下的三轴试验机，辅助以围压和温度加载及数据采集记录系统，试验研究温度−应高应力页岩非线性蠕变模型，得出描述岩石温度−应力−化学三场耦合效应的数学模型，运用ANSYS有限元对岩石微细观结构和温度−应力−化学多场耦合作用下的图2三轴室示意图Figure 2. Schematic diagram of triaxial chamber下载: 全尺寸图片幻灯片岩石的耦合渗透性受岩石多场耦合作用的影响，作用机理复杂，因此需要研究岩石在水流−应力−化学多场耦合作用下围压、渗透压、水化学性质等多种因素验中可用的液压稳定控制台包括稳压控制台（稳压控制台主要保证围压和轴压的稳MPa，稳压精度在静态时达±0.5%，动态时达±2%，低压控制系统的渗透压最大可达1.6 MPa。
岩土地质工程中的有限元数值模拟研究
岩土地质工程中的有限元数值模拟研究一、前言岩土地质工程是研究土体及其在工程中的力学性质的一门学科。
在岩土地质工程中，有限元数值模拟被广泛应用于工程设计和分析中。
有限元数值模拟能够计算土体的应力、应变、变形、稳定性和渗流等问题，为岩土工程研究和设计提供了有效的工具。
本文将介绍有限元数值模拟在岩土地质工程中的应用和发展趋势。
二、有限元数值模拟的基本原理有限元数值模拟是一种重要的数值计算方法，其基本原理是将被研究物质（例如岩土体）划分成有限数量的小单元，然后在小单元内求解微分方程，得到物质的力学性质。
这种方法可以模拟各种复杂情况的力学行为和变形过程，包括非线性材料性能和非线性变形。
有限元模拟还可以用于分析物质自然衰减和与环境的相互作用，例如化学侵蚀和水文地质过程等等。
三、有限元数值模拟在岩土地质工程中的应用1. 岩质边坡稳定性分析岩土工程中的边坡稳定性分析是岩土工程设计和施工中最常见的问题之一。
边坡稳定性分析需要考虑多种因素，例如地下水位、岩石的性质和结构、地震作用等等。
有限元模拟可以在考虑上述因素的基础上，对边坡的稳定性进行分析。
通过对模拟结果的分析，可以确定边坡的稳定等级，以及在设计和施工中需要采取的措施。
2. 基坑围护结构设计在岩土地质工程中，基坑围护结构的设计是一个非常复杂的问题。
基坑围护结构需要考虑地下水位、土体的力学性质、试验数据等因素。
有限元模拟可以帮助工程师优化基坑围护结构，以减少地面沉降和墙体倾斜的风险。
3. 软土地基加固软土地基加固是岩土工程中的另一个常见问题。
软土地基加固需要考虑土体的压实性质、地下水位、荷载变形等因素。
有限元模拟可以对软土地基的加固方案进行优化，并可以预测加固效果。
四、基于有限元数值模拟的岩土地质工程研究的发展趋势1. 多物理场耦合数值模拟的研究多物理场耦合数值模拟包括结构力学、岩土力学和水文地质学等领域的研究。
这种模拟可以模拟各种复杂的物理问题，例如地下水流、岩土界面的摩擦、土体受到荷载等等。
多孔介质流_固_热三场全耦合数学模型及数值模拟_盛金昌
变形、能量传输、流体流动 3 个相互耦合的过程， 多物理场之间的交叉耦合还包括材料性质与独立变 量之间的耦合关系)，然后利用 FEMLAB 软件(基于 偏微分方程组的多物理过程模拟工具)作为平台，成 功地求解了这一全耦合偏微分方程组，避免了松散 耦合法求解多场耦合问题带来的误差，实现了同时 求解多物理场耦合过程。本文的求解方法是一个全 耦合算法，在理论上它能给出最真实的结果。通过 对一个具有已知解析解和数值解的算例的计算分析 来证明本文耦合模型及求解方法的正确性：一维砂 柱的等温固结和非等温固结问题。最后模拟分析了 通过井孔向岩体中注入冷水时流、固、热全耦合过 程，详细地分析了全耦合作用对井壁围岩应力的影 响。
·3030·
岩石力学与工程学报
2006 年
由于应变、流体压力和温度所引起的流体体积的变
化，等号左边的最后 1 项代表由压力梯度和重力作
用而引起的流体流量。
2.2 能量守恒方程 固体骨架和流体共同存在于同一个体积空间，
但它们具有不同的热动力学特性：如比热容和热传
导系数等。因此固体骨架和流体的能量守恒方程需
式中：φ 为岩体孔隙率， ρl 为流体的密度，t 为时 间，Vl 为流体速度矢量， Q 为流体的源汇项。
根据流体流动的动量方程可得 Darcy 定律：
Vl
=
−
k µl
(∇P
−
ρl g)
(2)
式中： µl 为流体的动力黏滞系数，k 为孔隙介质的 渗透率， P 为孔隙压力，g 为重力加速度矢量。
将式(2)代入式(1)，并加上固体骨架的变形项，
热-水动力-力学(thm)耦合模型
热-水动力-力学(thm)耦合模型一、概述1. 研究背景近年来，热-水动力-力学(thm)耦合模型在地质工程领域得到了广泛的应用。
这种模型能够描述地下水流对岩石力学性质和地温场的影响，对于有效预测地下水资源的开发利用以及岩石工程中的渗透、变形等问题具有重要意义。
2. 研究意义通过对热-水动力-力学(thm)耦合模型的研究，可以更加全面地认识地下水流和岩石力学之间的相互作用关系，为地下水资源的合理开发、岩石工程的安全施工提供科学依据。
二、热-水动力-力学(thm)耦合模型的基本原理1. 热传导和水动力学模型在热-水动力-力学(thm)耦合模型中，首先需要建立热传导方程和水动力学方程。
热传导方程描述了地下岩石热量的传输和分布规律，而水动力学方程则描述了地下水流的速度和流动特性。
2. 岩石力学模型岩石力学模型描述了地下岩石的变形和破坏规律，包括岩石的弹性模量、泊松比、抗压强度以及裂隙的存在和扩张等因素。
3. 耦合关系在热-水动力-力学(thm)耦合模型中，热传导方程、水动力学方程和岩石力学模型之间存在着复杂的耦合关系。
地下水流动会对岩石的温度场和应力场造成影响，从而影响岩石的强度和变形特性；同时岩石的变形也会影响地下水流的通量和流速。
三、热-水动力-力学(thm)耦合模型的建立1. 模型假设在建立热-水动力-力学(thm)耦合模型时，需要对地下水流、岩石力学和地温场等因素进行一定的简化和假设，以便于建立数学模型进行求解。
2. 数学表达通过对热传导方程、水动力学方程和岩石力学模型进行数学表达，并引入边界条件和初始条件，可以建立热-水动力-力学(thm)耦合模型的数学形式。
3. 求解方法对于建立的热-水动力-力学(thm)耦合模型，可以采用有限元、边界元、网格法等数值方法进行求解，得到地下水流场、温度场和应力场的分布情况和变化规律。
四、案例分析与应用1. 地下水资源开发通过建立热-水动力-力学(thm)耦合模型，可以对地下水资源的开采和补给进行合理的规划和管理，有效防止地下水位下降和地表沉降等问题的发生。
冻结条件下土壤水热耦合迁移的数值模拟
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。
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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。