非饱和膨润土热—水—力耦合的数值模拟研究

论文摘要

目前,在土木、水力工程领域,如冻土地区的路基处理,资源与能源领域,如煤炭的地下气化,环境工程领域,如高放核废弃料的处置中,周围环境中各物理场往往处于复杂的相互作用和影响之中,尤其是环境的主体-非饱和土,其物理化学性质受到温度场、渗流场和应力场的影响明显,因此,考虑多物理化学场耦合的研究就显得很重要,也逐渐成为一个热门的课题,对于指导工程实践有着重要的参考意义。然而,随着数值解法在科研和工程中的应用越来越成熟,这也给非饱和土的多场耦合研究提供了极大的便利。目前,国内大多数的研究都是针对具体工程问题进行理论推导,在数值计算特别是软件的开发上相对滞后,这也使得问题的求解有很大的局限性。文章依托高放核废料处置概念库的模型,应用大型商用软件ABAQUS对缓冲材料-非饱和膨润土的均匀化过程进行模拟研究,具体内容为：（1）简单介绍了非饱和土的耦合作用方式和热学、水力和力学的理论基础,并结合本文的研究确定了顺序耦合的求解方式,给出了耦合的场方程。（2）利用ABAQUS进行吸水仿真实验,并给出了含水率随距离变化的曲线,对比真实实验数据结论,证明ABAQUS有良好的可靠性和准确性。（3）根据高放核废料处置概念库的模型,对非饱和膨润土进行水-力耦合数值模拟分析,给出不同时刻的饱和度、应力和位移的空间分布云图和随时间变化曲线图,并对重要参数进行敏感性分析,得出达到初始饱和（Sr≥95%）和最终饱和所需时间对渗透系数较为敏感。（4）在水-力耦合分析的基础上,考虑核素衰变形成的温度场,对非饱和膨润土进行热-水-力耦合分析,给出不同时刻的温度、饱和度、孔隙水压、应力和位移的空间分布云图和随时间变化曲线图,对比第四章的分析,对温度对水力和力学因子的影响进行分析,得出温度对水力因子的影响较大。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 热-水-力耦合研究的工程背景
• 1.1.2 热-水-力耦合研究的理论背景
• 1.2 热-水-力耦合的国内外发展现状
• 1.2.1 热-水-力耦合理论模型的研究现状
• 1.2.2 热-水-力耦合求解方法的研究现状
• 1.3 本文的研究目的和主要内容
• 2 热-水-力耦合的基本理论
• 2.1 耦合的基本理论
• 2.2 热力学基本理论
• 2.2.1 热传导理论
• 2.2.2 热对流理论
• 2.2.3 非耦合的热传导理论
• 2.3 水力-力学分析基本理论
• 2.3.1 有效应力原理
• 2.3.2 广义胡克定律
• 2.3.3 扩展的Drucker-Prager准则
• 2.3.4 达西定律与傅里叶定律
• 2.3.5 水-力耦合分析理论
• 2.4 本章小结
• 3 数值分析方法简介及应用
• 3.1 数值方法的简介
• 3.2 ABAQUS的基本模块和求解模式
• 3.3 非饱和土吸水仿真实验
• 3.4 本章小结
• 4 非饱和膨润土的水-力耦合
• 4.1 高放核废弃料处置概念库的简介
• 4.2 模型的材料参数及网格划分
• 4.2.1 模型的材料参数
• 4.2.2 模型的网格划分
• 4.3 模型边界条件及初始条件
• 4.3.1 模型的边界条件
• 4.3.2 模型初始条件
• 4.4 非饱和膨润土的水-力耦合分析
• 4.4.1 边界条件a下各场变量的变化规律
• 4.4.2 边界条件b下各场变量的变化规律
• 4.5 参数敏感性分析
• 4.5.1 边界水压敏感性分析
• 4.5.2 渗透系数敏感性分析
• 4.6 本章小结
• 5 非饱和膨润土的热-水-力耦合
• 5.1 高放废弃物及其热效应基本概念
• 5.2 模型材料的热学参数和初始条件
• 5.2.1 模型材料的热学参数
• 5.2.2 模型材料的初始及边界条件
• 5.3 高放核废料处置概念库的热传分析
• 5.4 非饱和膨润土的热-水-力耦合分析
• 5.4.1 边界条件a下各场变量的变化规律
• 5.4.2 边界条件b下各场变量的变化规律
• 5.5 温度的影响性分析
• 5.5.1 温度场对饱和度的影响分析
• 5.5.2 温度场对孔隙水压和吸力的影响分析
• 5.5.3 温度场对竖向应力的影响分析
• 5.5.4 温度场对竖向位移的影响分析
• 5.6 本章小结
• 6 结论和展望
• 6.1 规律和结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 符号索引
• 作者简历
• 学位论文数据集