土体冻融过程中水、热、力三场耦合机理研究2003年工作总结

1、宁建国宁建国 王慧王慧 王建省王建省北京理工大学北京理工大学土体冻融过程中水、热、力土体冻融过程中水、热、力三场耦合机理研究三场耦合机理研究中国科学院知识创新工程重大项目中国科学院知识创新工程重大项目 提提 纲纲四、下一阶段的工作计划四、下一阶段的工作计划一、课题完成情况一、课题完成情况l 对所建立模型进行数值模拟，为编制适用于该模对所建立模型进行数值模拟，为编制适用于该模型的计算程序做一些型的计算程序做一些工作工作 。l 调研相关文献、资料，调研相关文献、资料，分析土、冰的特性。分析土、冰的特性。l l 研究饱和冻土体中的土、未冻水、冰与温度、应研究饱和冻土体中的土、未冻水、冰与温度、应力之

2、间的相互作用关系力之间的相互作用关系，建立基本分析模型。，建立基本分析模型。 l 从细观机理对由土、冰组成的冻土体进行分析，从细观机理对由土、冰组成的冻土体进行分析， 以找到一以找到一 种合适的物理模型来描述冻土的物理种合适的物理模型来描述冻土的物理 力学性质。力学性质。l 建立完全由土和冰组成的冻土的本构模型。建立完全由土和冰组成的冻土的本构模型。 l 建立土、冰、水组成的冻土的本构模型。建立土、冰、水组成的冻土的本构模型。 l 初步建立考虑温度影响的冻土体的本构模型。初步建立考虑温度影响的冻土体的本构模型。l 编制数值计算程序，对冻土体的冻胀融沉进编制数值计算程序，对冻土体的冻胀融沉进 行

3、初步计算。行初步计算。 2.1 当年研究目标当年研究目标二、研究目标、内容和方法二、研究目标、内容和方法l 用细观分析方法建立完全由土和冰组成的饱和用细观分析方法建立完全由土和冰组成的饱和 冻土体的本构模型。冻土体的本构模型。l 借鉴土力学的分析方法建立由土、冰、水组成借鉴土力学的分析方法建立由土、冰、水组成 的饱和冻土体的本构模型。的饱和冻土体的本构模型。l 研究温度对饱和冻土体本构关系的影响，考虑研究温度对饱和冻土体本构关系的影响，考虑 冰、水之间的相变转化对冻土本构关系的影响。冰、水之间的相变转化对冻土本构关系的影响。l 以飞箭软件为平台，对一些实际问题编制计算以飞箭软件为平台，对一些实

4、际问题编制计算 程序，并在此基础上对程序进行修改和调试，程序，并在此基础上对程序进行修改和调试， 以符合我们所提出的模型要求。以符合我们所提出的模型要求。 2.2 当年研究内容当年研究内容 从复合材料的细观机理出发研究冻土的本从复合材料的细观机理出发研究冻土的本构关系，并通过对各种细观模型与实验数据和构关系，并通过对各种细观模型与实验数据和工程实际的比较，选择一种合适的模型来描述工程实际的比较，选择一种合适的模型来描述冻土的本构关系，以便能更准确地描述实际冻冻土的本构关系，以便能更准确地描述实际冻土体的力学和热学性质。土体的力学和热学性质。2.3 研究方法研究方法l 弹性力学、冻土力学、连续介

5、质力学、传热弹性力学、冻土力学、连续介质力学、传热 学、渗流理论等多学科问题的综合研究。学、渗流理论等多学科问题的综合研究。l 冻融过程中冰、水相变和转化机理的描述。冻融过程中冰、水相变和转化机理的描述。l 基于温度、水分影响下冻土的三场耦合的本基于温度、水分影响下冻土的三场耦合的本 构模型的建立。构模型的建立。l 程序的编写和调试程序的编写和调试 。2.4 关键技术问题关键技术问题土体的本构方程：土体的本构方程： 冰的本构方程：冰的本构方程： szxsszxsyzssyzsxyssxysysxsszsssysxszssysssyszsyssxsssxGGGEEE)(1)(1)(1izxiiz

6、xiyziiyzixyiixyiyixiiziiiyixiziiyiiiyiziyiixiiixGGGEEE)(1)(1)(13.1 土、冰的混合本构关系土、冰的混合本构关系 基本假设：冻土体中的土颗粒为均匀连续体，土基本假设：冻土体中的土颗粒为均匀连续体，土 颗粒与冰之间完全粘结。颗粒与冰之间完全粘结。 由复合材料理论中的经典混合率思想，认为土颗粒由复合材料理论中的经典混合率思想，认为土颗粒与冰具有相同的应变状态，根据骨架与填充体变形与冰具有相同的应变状态，根据骨架与填充体变形的一致性，有：的一致性，有：izxszxsizxiyzsyzsiyzixysxysixyizszsiziysysiyixsxsix在土、冰组成的微元体内，土和冰的体积含量分别为在土、冰组成的微元体内，土和冰的体积含量分别为 和和 ，且满足关系式：，且满足关系式： 。si1is等效剪切模量等效剪切模量 为：为：siGiisisiGGG)1 (记记siEE siGG sisisisisi则各向同性冻土体的三维弹性本构方程为：则各向同性冻土体的三维弹性本构方程为