岩土工程中水热力三场耦合的计算模型及数值模拟方案

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、理查德方程、 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。
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
=K 2 + 2 t X Y
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
2 5 T (t) T0 g (t) A0 sin( t ) 36 9
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
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
ຫໍສະໝຸດ Baidu
应变曲线
应变曲线
路基顶面中心点应变曲线
2 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。 • 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。
• • • • 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
拟合温度曲线
拟合温度值
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。
三场耦合模型
• 温度场
2T 2T T fs CP =K 2 2 QV L t Y t X
• 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。 • 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。
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：
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。
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
温度引起的渗流场流动
流速场
温度场
水分迁移
模型建立
• 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
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
COMSOL 软件介绍
应力场
• 控制方程
D D D T

• [D]:弹性矩阵 • [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