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《饱和颗粒正冻土一维刚性冰模型的数值模拟_曹宏章》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第29卷第1期冰川冻土Vol.29No.12007年2月JOURNALOFGLACIOLOGYANDGEOCRYOLOGYFeb.2007文章编号:10000240(2007)01003207饱和颗粒正冻土一维刚性冰模型的数值模拟1,21曹宏章,刘石(1.中国科学院工程热物理研究所,北京100080;2.中国科学院研究生院,北京100049)摘要:基于刚性冰模型,应用有限差分法离散方程组,对于饱和颗粒土开放系统的冻结过程进行了一维数值模拟,给出了冻结缘内参数的分布.计算过程
2、中修正了刚性冰模型中分凝冰产生条件,提出以冻结缘内冰压与载荷的关系作为分凝冰产生的判据,计算得到的冻胀量与实验室冻胀实验的测量数据较为吻合.将计算结果与现场实测资料进行了比较,温度场、含水量分布等结果在分布规律方面与现场实测资料相符.关键词:饱和土;冻结;刚性冰模型;数值模拟中图分类号:P642.13文献标识码:A1引言量关系为:W(iw)+I(iw)+G=1(1)冻土区的冻胀、融沉作用会使建造物出现裂缝、W(iw)+I(iw)+G=1-G=n(2)沉陷、结构断裂等现象,给道路和建筑物造
3、成很大的危害,关于冻土冻胀的机理研究一直是冻土界注重式中:I(i)为冰体积含量;G为土体颗粒体积含量;W[1-3]的问题之一.大量的研究结果表明,冻结过程中(iw)为未冻水体积含量,由实验确定;n为孔隙率;由于水分迁移引起的冻胀量远远大于孔隙水原位冻iw=ui-uw,ui为孔隙冰压(Pa),uw为孔隙水压(Pa).结引起的体积膨胀量.目前较为成熟的描述冻结过相变区内认为满足相平衡,则iw与温度T[2,4]程水、热耦合现象的是水力模型和刚性冰模型.()的关系可由Clapeyron方程给
4、出:尽管水力摸型能很好的预报水分迁移速率,并且方iw=(i/w-1)uw-(iL/273)T(3)程组较为简单,易于数值计算,但无法模拟分凝冰层式中:L为相变潜热.的形成,从而不能完全模拟冻胀过程.实验结果证冻结缘中的孔隙冰与生长的分凝冰紧密的连在明,冻胀量较大的土在冻结过程中冻结区有分凝冰一起,土颗粒表面对水的吸引力大于对冰的吸引的产生,而且在最暖分凝冰的暖端与冻结锋面之间力,当冻胀发生时,由此产生的微观的复冰过程使存在一个冰、水共存区域,即冻结缘,冻胀量的大部得孔隙冰向冻结缘冷端移
5、动.因此,冻胀的速度应分是由于冻结缘内水分迁移不断产生的分凝冰造成与刚性冰体的移动速度VI相等.的.刚性冰模型则充分考虑了冻结缘内水、热迁移过考虑冻结缘内沿重力方向一维情形的质量守程的耦合现象,对于分凝冰的产生、冻胀量以及冻结缘内参数给出了描述.本文对于饱和颗粒土壤的冻恒,有:结过程采用刚性冰模型进行了一维数值模拟.(wW)+(v)w=-S(4)x[5]2模型介绍(iI)+(v)i=S(5)刚性冰模型假定饱和土冻结过程中冰和土骨架x是不可压缩的、刚性的,则冻结
6、缘内冰、水、土含即:收稿日期:20060925;修订日期:20061225基金项目:中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX1SW06);国家自然科学基金项目(40501017)资助作者简介:曹宏章(1969),男,内蒙古呼和浩特人,1990年毕业于东南大学,现为博士研究生,主要从事多孔介质传热传质方面研究.Email:caohz2002@yahoo.com.cn1期曹宏章等:饱和颗粒正冻土一维刚性冰模型的数值模拟33最暖分凝冰的暖端处的冰压ui
7、x=x等于此处的载[
8、wW+iI]+[(v)w+(v)i]=0(6)bx荷P,由式(3)有:式中:S为相变量;vw为孔隙未冻水迁移速度,满P=ui
9、x=x=(i/w)uw-(iL/273)Tb足Darcy定律:=(1+A)uw+BTkuwvw=--wg(7)wgx则:式中:vi为孔隙冰移动速度,由刚性冰假定有:P-BTuw=x=xb(14)vi=VII(8)1+A由以上方程得到冻结缘内水迁移方程:是冻结缘内最暖分凝冰的暖端处的孔隙水压边界条uwTkuw件.(A
10、I)+(BI)--wgxgx由最暖分凝冰的暖端两侧的热平衡,有:uwT+iVIAI+BI=0(9)TTxxKhf=Kh-L(wvw)
11、x,xbxxxb-b+dIi式中:=i-w;I=;A=-1;B=diwwx=xb(15)iL式中:Khf为已冻区一侧导热系数;Kh为冻结缘一-;T为温度;uw为孔隙水压;k为导水系数,273侧导热系数.式(15)即为冻结缘内最暖分凝冰的暖有:k(W)=k(n)W,式中:的取值
