土體凍融過程中水、熱、力三場耦合機理研究2003年工作總結(jié)

1、寧建國寧建國 王慧王慧 王建省王建省北京理工大學(xué)北京理工大學(xué)土體凍融過程中水、熱、力土體凍融過程中水、熱、力三場耦合機理研究三場耦合機理研究中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大項目中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大項目 提提 綱綱四、下一階段的工作計劃四、下一階段的工作計劃一、課題完成情況一、課題完成情況l 對所建立模型進行數(shù)值模擬，為編制適用于該模對所建立模型進行數(shù)值模擬，為編制適用于該模型的計算程序做一些型的計算程序做一些工作工作 。l 調(diào)研相關(guān)文獻、資料，調(diào)研相關(guān)文獻、資料，分析土、冰的特性。分析土、冰的特性。l l 研究飽和凍土體中的土、未凍水、冰與溫度、應(yīng)研究飽和凍土體中的土、未凍水、冰與溫度、應(yīng)力之

2、間的相互作用關(guān)系力之間的相互作用關(guān)系，建立基本分析模型。，建立基本分析模型。 l 從細觀機理對由土、冰組成的凍土體進行分析，從細觀機理對由土、冰組成的凍土體進行分析， 以找到一以找到一 種合適的物理模型來描述凍土的物理種合適的物理模型來描述凍土的物理 力學(xué)性質(zhì)。力學(xué)性質(zhì)。l 建立完全由土和冰組成的凍土的本構(gòu)模型。建立完全由土和冰組成的凍土的本構(gòu)模型。 l 建立土、冰、水組成的凍土的本構(gòu)模型。建立土、冰、水組成的凍土的本構(gòu)模型。 l 初步建立考慮溫度影響的凍土體的本構(gòu)模型。初步建立考慮溫度影響的凍土體的本構(gòu)模型。l 編制數(shù)值計算程序，對凍土體的凍脹融沉進編制數(shù)值計算程序，對凍土體的凍脹融沉進 行

3、初步計算。行初步計算。 2.1 當(dāng)年研究目標(biāo)當(dāng)年研究目標(biāo)二、研究目標(biāo)、內(nèi)容和方法二、研究目標(biāo)、內(nèi)容和方法l 用細觀分析方法建立完全由土和冰組成的飽和用細觀分析方法建立完全由土和冰組成的飽和 凍土體的本構(gòu)模型。凍土體的本構(gòu)模型。l 借鑒土力學(xué)的分析方法建立由土、冰、水組成借鑒土力學(xué)的分析方法建立由土、冰、水組成 的飽和凍土體的本構(gòu)模型。的飽和凍土體的本構(gòu)模型。l 研究溫度對飽和凍土體本構(gòu)關(guān)系的影響，考慮研究溫度對飽和凍土體本構(gòu)關(guān)系的影響，考慮 冰、水之間的相變轉(zhuǎn)化對凍土本構(gòu)關(guān)系的影響。冰、水之間的相變轉(zhuǎn)化對凍土本構(gòu)關(guān)系的影響。l 以飛箭軟件為平臺，對一些實際問題編制計算以飛箭軟件為平臺，對一些實

4、際問題編制計算 程序，并在此基礎(chǔ)上對程序進行修改和調(diào)試，程序，并在此基礎(chǔ)上對程序進行修改和調(diào)試， 以符合我們所提出的模型要求。以符合我們所提出的模型要求。 2.2 當(dāng)年研究內(nèi)容當(dāng)年研究內(nèi)容 從復(fù)合材料的細觀機理出發(fā)研究凍土的本從復(fù)合材料的細觀機理出發(fā)研究凍土的本構(gòu)關(guān)系，并通過對各種細觀模型與實驗數(shù)據(jù)和構(gòu)關(guān)系，并通過對各種細觀模型與實驗數(shù)據(jù)和工程實際的比較，選擇一種合適的模型來描述工程實際的比較，選擇一種合適的模型來描述凍土的本構(gòu)關(guān)系，以便能更準(zhǔn)確地描述實際凍凍土的本構(gòu)關(guān)系，以便能更準(zhǔn)確地描述實際凍土體的力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。土體的力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。2.3 研究方法研究方法l 彈性力學(xué)、凍土力學(xué)、連續(xù)介

5、質(zhì)力學(xué)、傳熱彈性力學(xué)、凍土力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、傳熱 學(xué)、滲流理論等多學(xué)科問題的綜合研究。學(xué)、滲流理論等多學(xué)科問題的綜合研究。l 凍融過程中冰、水相變和轉(zhuǎn)化機理的描述。凍融過程中冰、水相變和轉(zhuǎn)化機理的描述。l 基于溫度、水分影響下凍土的三場耦合的本基于溫度、水分影響下凍土的三場耦合的本 構(gòu)模型的建立。構(gòu)模型的建立。l 程序的編寫和調(diào)試程序的編寫和調(diào)試 。2.4 關(guān)鍵技術(shù)問題關(guān)鍵技術(shù)問題土體的本構(gòu)方程：土體的本構(gòu)方程： 冰的本構(gòu)方程：冰的本構(gòu)方程： szxsszxsyzssyzsxyssxysysxsszsssysxszssysssyszsyssxsssxGGGEEE)(1)(1)(1izxiiz

6、xiyziiyzixyiixyiyixiiziiiyixiziiyiiiyiziyiixiiixGGGEEE)(1)(1)(13.1 土、冰的混合本構(gòu)關(guān)系土、冰的混合本構(gòu)關(guān)系 基本假設(shè)：凍土體中的土顆粒為均勻連續(xù)體，土基本假設(shè)：凍土體中的土顆粒為均勻連續(xù)體，土 顆粒與冰之間完全粘結(jié)。顆粒與冰之間完全粘結(jié)。 由復(fù)合材料理論中的經(jīng)典混合率思想，認為土顆粒由復(fù)合材料理論中的經(jīng)典混合率思想，認為土顆粒與冰具有相同的應(yīng)變狀態(tài)，根據(jù)骨架與填充體變形與冰具有相同的應(yīng)變狀態(tài)，根據(jù)骨架與填充體變形的一致性，有：的一致性，有：izxszxsizxiyzsyzsiyzixysxysixyizszsiziysysiyixsxsix在土、冰組成的微元體內(nèi)，土和冰的體積含量分別為在土、冰組成的微元體內(nèi)，土和冰的體積含量分別為 和和 ，且滿足關(guān)系式：，且滿足關(guān)系式： 。si1is等效剪切模量等效剪切模量 為：為：siGiisisiGGG)1 (記記siEE siGG sisisisisi則各向同性凍土體的三維彈性本構(gòu)方程為：則各向同性凍土體的三維彈性本構(gòu)方程為