饱和颗粒土冻结过程的数值模拟研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 第十一届年会 编号：053324 饱和颗粒土冻结过程的数值模拟 曹宏章 刘石 中国科学院工程热物理研究所，北京．100080 OlO E_mail：caohz2002@yahoo．com．cn 摘要：影响饱和土冻结过程的因素很多而且复杂，本文采用剐性冰模型对于饱和颗粒土的一维冻结过 程进行了数值模拟，分析了外载、导水系数以及土的持水性对于冻结过程以及冻胀的影响。 关键词：冻结过程， 刚性冰模型， 数值模拟， 冻胀 前言 一 冻土区的冻胀、融沉给该地区道路和建筑物造成很大的危害，出现裂缝、沉陷、结 构断裂等现象，关于冻胀的机理研究一直是冻土界注重的问题之一，冻土冻胀融沉实际 情况的复杂性和实验研究的局限性，使得数值分析很有必要，大量的研究结果表明，土 在冻结过程中冻胀量较大的情况下在冻结区有分凝冰的产生，而且在最暖分凝冰的暖端 与冻结锋面之间存在一个冰、水共存区域，即冻鳞缘，冻结过程中由于水分迁移引起的 冻胀量远远大于孔隙水原位冻结弓l起的体积膨R莨基．目前较为成熟的描述冻结过程水、 热耦合现象的是水力模型和刚性冰模型”j，7耱对季承为模型，刚性冰模型充分考虑了冻 结缘内水、热迁移过程的耦合现象，对于分凝冰的产生、冻胀量以及冻结缘内参数给出 了描述，本文采用刚性冰模型对于饱和颗粒土豹旅结过程进行了数值模拟，分析了外载 及导水系数等因素对于冻结过程的影响。 模型简介“1 刚性冰模型假定饱和土冻结过程中冰和土骨架是不可压缩的、刚性的，则冻结缘内 冰、水、土含量关系为： Ⅳ(饿。)+f(々‰)=l—G=H (1) 其中：，(仇。)：冰含量；G：土体颗粒含量：∥(％。)：未冻水含量，由实验确定；月： 孔隙率； ‰=“。一“。，“f：孔隙冰压，“。：孔隙水压 相变区内认为满足相平衡，则吼，与温度丁的关系可由C1apeyron方程给出： p州=(户，／卢。一1)“。一(p。上／273)r (2) L：相变潜热 冻结缘内沿重力方向一维情形的水迁移方程为： 传热方程为： 【∑cpc钆一只删’】等一一删，鲁一辟三巧[∥警+脚’罢]一妄(巧罢]=。ca， 其中：冰、水密度差印。n讯叫=老；彳。尝_1邶一筹一=温 度；‰：孔隙水压；j}：导水系数，有：女咿)=to《鲁]9；K：导熟系数，且 K^=K：K纛世品：c：比热：t9=矽，，，G 由最暖分凝冰暖端x=％处的质量守恒，给出冻胀速度，即最暖分凝冰的移动速度 卜七(警哏g)户翩卅 一 ㈤ 冻结缘内最暖分凝冰暖端处的孔隙水压边界条件：当分凝冰产生后，分凝冰将土骨架分 隔开，则最暖分凝冰暖端处的冰压“。I，；。等于此处的载荷P，由(2)有： 驴等‰2T百 舻％嘲 妯’㈤ 冻结缘内最暖分凝冰暖端处的温度边界条件：由最暖分凝冰暖端两侧的热平衡，有： ％罢L2巧豢L一工(触l。 (7) 式中：毛，：已冻区一侧导热系数：毛：冻结缘一侧导热系数 分凝冰产生的判据：对于颗粒土，必然导致土骨架结构在分凝冰产生处发生分离，由产 生的分凝冰承担所有的载荷，因此可将分凝冰产生时的冰压与载荷的关系作为分凝冰产 生的判据，即： 本文将计算域分为两部分，由最暖分凝冰暖端至计算域冷端是己冻区，此区域温度较低， 并且己产生的分凝冰将土骨架分隔开，可忽略未冻水的迁移，则己冻区内仅考虑一维的 固体导热过程。而由最暖分凝冰暖端至计算域热端的控制方程组是(3)和(4)。 数值计算：