岩土工程中水热力三场耦合计算模型及数值模拟

1、工作汇报赵亮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

2、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：三场耦合模型 温度场 边界条件：定温边界、对流边界、辐射边界。2222fs=ttPVTTTCKQLXY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。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

3、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。VKJ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 再未考虑相变情况下的水分场控制方程。2222=+tKXY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。应力场 控制方程 D:弹性矩阵 a：热膨胀系数 T：温度 根据后面的

4、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 DDDT 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

5、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 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。0025(t) T(t) Asin(t)369Tg温度拟合值拟合温度值拟合温度曲线温度场边界条件 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。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

6、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应变曲线应变曲线路基顶面中心点应变曲线小结 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