飽和黏土大變形固結(jié)與污染物遷移多維耦合理論研究

在污染物遷移模型中考慮土體固結(jié)的耦合影響是近年來(lái)的一個(gè)重要研究方向。天然黏土常用在廢棄物堆場(chǎng)等防滲基礎(chǔ)并易發(fā)生大變形固結(jié)，傳統(tǒng)的小變形理論不適應(yīng)于該情況。項(xiàng)目在研究黏土防滲層中污染物運(yùn)移和轉(zhuǎn)化規(guī)律時(shí)，分別考慮了一維的Gibson大變形固結(jié)模型和多維的連續(xù)介質(zhì)大變形固結(jié)模型，以克服以往不考慮固結(jié)變形或采用小變形假定的局限性。主要研究?jī)?nèi)容包括：（1）基于Gibson一維大變形固結(jié)理論和飽和多孔介質(zhì)中的污染物對(duì)流擴(kuò)散方程，建立了二者耦合的可變形多孔介質(zhì)中污染物的運(yùn)移和轉(zhuǎn)化模型，其中首次考慮了土體自重和生物降解作用的影響；（2）利用所建立耦合模型的數(shù)值解，研究了在可變形黏土防滲層中的污染物運(yùn)移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，同時(shí)分析了模型中不同項(xiàng)和主要參數(shù)的作用和影響；（3）在多維化模型方面，基于飽和土體表征體元完善了多維大變形固結(jié)模型，再根據(jù)固液兩相污染物質(zhì)量守恒等，建立Lagrangian描述和Eulerian描述污染物多維遷移模型及控制方程；（4）接著基于商業(yè)軟件平臺(tái)，模擬分析了動(dòng)態(tài)土柱試驗(yàn)，結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，然后重點(diǎn)對(duì)二維條件下粘土大變形固結(jié)與污染物遷移耦合進(jìn)行了模擬分析，其中按ALE法進(jìn)行大變形處理。主要結(jié)果和結(jié)論有：（1）土體大變形對(duì)黏土防滲層中污染物的運(yùn)移有著較復(fù)雜的影響，一方面土體變形會(huì)加速污染物運(yùn)移，另一方面土體固結(jié)帶來(lái)的滲透性減小會(huì)增加污染物的穿透時(shí)間，二者的不同作用取決于眾多的影響因素，如土層厚度和吸附作用等；（2）不考慮荷載時(shí)，土體吸附系數(shù)和孔隙率對(duì)污染物遷移的影響相對(duì)較大，而土體擴(kuò)散系數(shù)和彌散系數(shù)對(duì)污染物遷移影響相對(duì)較小，而考慮土體荷載時(shí)，土體孔隙率對(duì)污染物遷移影響最大，土體吸附系數(shù)對(duì)污染物遷移影響次之，擴(kuò)散系數(shù)對(duì)污染物遷移影響較小；（3）隨著荷載增加，土體固結(jié)變形也相應(yīng)增加，污染物遷移范圍隨之明顯擴(kuò)大，大、小變形法分析結(jié)果差別也隨之增大；大變形理論相比于小變形理論，得出的污染物遷移深度較大，說(shuō)明大變形分析下填埋場(chǎng)防滲能力弱于小變形分析結(jié)果；（4）在填埋場(chǎng)防滲層設(shè)計(jì)中，若填埋場(chǎng)底部承受較大荷載，應(yīng)考慮滲透系數(shù)對(duì)污染物遷移深度影響增大的效應(yīng)，而當(dāng)滲濾液浸潤(rùn)線較高時(shí)，填埋場(chǎng)黏土層中部污染物后期遷移深度大于兩側(cè)。大變形固結(jié)與污染物遷移耦合分析，對(duì)于地下水污染物控制和保護(hù)水環(huán)境，意義重大，需要加強(qiáng)研究。 2100433B

在污染物遷移模型中考慮土體固結(jié)的耦合影響是國(guó)際上近年來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展方向。天然黏土常用作廢棄物堆場(chǎng)等防滲基礎(chǔ)并易發(fā)生大變形固結(jié)?，F(xiàn)有大變形固結(jié)與污染物遷移耦合模型由于采用Gibson固結(jié)理論而存在一維局限性和保守體系的不足，與實(shí)際工程情況出入較大。擬首先按連續(xù)介質(zhì)有限變形理論，采用飽和土表征體元概念并考慮多維變形客觀性要求，建立Eulerian和Lagrangian描述的多維大變形固結(jié)與污染物遷移耦合模型；再基于非保守體系固體力學(xué)大變形擬變分原理的推廣形式，發(fā)展多維固結(jié)與遷移耦合擬變分原理和虛功方程，研究相應(yīng)的Lagrangian和ALE描述的有限元法并編制程序。通過(guò)土柱試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)和三軸固結(jié)誘發(fā)遷移試驗(yàn)，研究一維和多維大變形固結(jié)對(duì)污染物遷移的影響規(guī)律，以及溶質(zhì)遷移對(duì)大變形應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)本構(gòu)模型的耦合影響；結(jié)合理論模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證和完善理論模型合理性并分析傳統(tǒng)模型的適用范圍。

在多種環(huán)境巖土工程項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)機(jī)理中，都包含了兩類(lèi)過(guò)程，一是物理化學(xué)過(guò)程（主要是污染物的運(yùn)移過(guò)程和污染物的稀釋過(guò)程）,二是巖土體的力學(xué)變化過(guò)程（主要是滲流過(guò)程和固結(jié)過(guò)程）。過(guò)去環(huán)境專業(yè)和土力學(xué)專業(yè)的學(xué)者們分別作了很多研究，但對(duì)兩類(lèi)過(guò)程的相互耦合作用研究不夠。需要對(duì)基本理論、描述方程、基本參數(shù)和工程規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。本項(xiàng)目擬通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、理論建模和數(shù)值模擬對(duì)土體固結(jié)變形和污染物運(yùn)移耦合模型進(jìn)行研究，室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)軌蚩紤]固結(jié)變形對(duì)污染物運(yùn)移的影響，建立比奧固結(jié)理論與污染物運(yùn)移理論相耦合模型，并用數(shù)值方法進(jìn)行求解得出所建模型的數(shù)值解,從而揭示污染物在變形土體中的運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律。該項(xiàng)目的研究對(duì)于軟弱土層地區(qū)或堆場(chǎng)防滲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及環(huán)境安全性評(píng)價(jià)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

在多種環(huán)境巖土工程項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)機(jī)理中，都包含了兩類(lèi)過(guò)程，一是物理化學(xué)過(guò)程（主要是污染物的運(yùn)移過(guò)程和污染物的稀釋過(guò)程）,二是巖土體的力學(xué)變化過(guò)程（主要是滲流過(guò)程和固結(jié)過(guò)程）。過(guò)去環(huán)境專業(yè)和土力學(xué)專業(yè)的學(xué)者們分別作了很多研究，但對(duì)兩類(lèi)過(guò)程的相互耦合作用研究不夠。目前對(duì)污染物在土層中運(yùn)移規(guī)律的研究較少考慮土體固結(jié)變形的影響，但這卻又是個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，在實(shí)際工程中應(yīng)該考慮荷載作用的影響。本項(xiàng)目基于比奧固結(jié)理論和污染物運(yùn)移理論，建立了污染物在固結(jié)變形土體中的一維運(yùn)移模型,采用有限差分法對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)值求解。針對(duì)不同的吸附模式，研究了防滲層固結(jié)變形及吸附參數(shù)對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響，并對(duì)比分析了考慮土體固結(jié)變形與不考慮土體固結(jié)變形對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律造成的差異。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下： （1）建立了考慮土體固結(jié)變形的污染物運(yùn)移模型，采用數(shù)值積分方法推導(dǎo)出了所建定解問(wèn)題的有限差分格式，并用能量法對(duì)所建差分格式的穩(wěn)定性進(jìn)行了證明。 （2）污染源濃度恒定且源源不斷供給情況下，在特定時(shí)刻土層中污染物濃度隨著深度的增加而逐漸減小，固結(jié)壓力越大，污染物的運(yùn)移深度就越小，并且某一深度處污染物濃度隨著時(shí)間的增加逐漸積累并最終達(dá)到污染源濃度值。另外無(wú)論采用何種吸附模式，當(dāng)選取的吸附參數(shù)使得土顆粒的吸附能力逐漸增強(qiáng)時(shí)，在相同的運(yùn)移時(shí)間內(nèi)，污染物運(yùn)移深度逐漸減小，且某一深度處污染物濃度達(dá)到源濃度所需的時(shí)間逐漸增加。吸附參數(shù)取值的不同對(duì)污染物運(yùn)移規(guī)律的影響隨吸附能力的增強(qiáng)而逐漸減弱。 （3）污染源濃度隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律衰減情況下，在特定時(shí)刻土層中污染物濃度隨深度先增加后減小，在某一深度處達(dá)到峰值濃度，濃度峰值隨固結(jié)壓力增大而減小。同時(shí)某一深度處污染物濃度隨著時(shí)間增加也呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，并在某一時(shí)刻達(dá)到峰值濃度，且濃度峰值隨固結(jié)壓力增大而減小，達(dá)到峰值濃度所需時(shí)間逐漸增大。另外隨著土體吸附能力的提高，污染物運(yùn)移深度逐漸減小，某一深度處污染物濃度隨時(shí)間變化曲線的峰值濃度逐漸減小，并且達(dá)到峰值濃度所需的時(shí)間逐漸增加。 2100433B

土體在外加荷載作用下，由于孔隙比減少而壓密變形，同時(shí)提高了強(qiáng)度。對(duì)于飽和土，只有當(dāng)孔隙水?dāng)D出以后，變形才能產(chǎn)生。開(kāi)始時(shí)，土中應(yīng)力全部由孔隙水承擔(dān)。隨著孔隙水的擠出，孔隙水壓力逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛赏凉羌艹惺艿挠行?yīng)力。研究這兩種應(yīng)力的相互消長(zhǎng)以及土體變形達(dá)到最終值的過(guò)程，稱為固結(jié)理論。

1924年，太沙基提出一維固結(jié)理論和有效應(yīng)力原理，建立了土體的一維固結(jié)理論，奠定了現(xiàn)代土力學(xué)的基礎(chǔ)，標(biāo)志著土力學(xué)學(xué)科的誕生。土體是多相體，是歷史與自然界的產(chǎn)物，土體的變形規(guī)律比較復(fù)雜，這些因素決定了土體固結(jié)過(guò)程的復(fù)雜性對(duì)固結(jié)過(guò)程的數(shù)學(xué)描述首先歸公于太沙基，他在一系列假定墓礎(chǔ)上，建立了著名的一維固結(jié)理論，通常稱為太沙基固結(jié)理論。其假設(shè)為：土體是完全飽和的均質(zhì)土；土骨架的壓縮和孔隙水的滲流僅發(fā)生在一個(gè)方向上，通常為豎向；土顆粒和孔隙水不可壓縮；土體中水的滲透服從達(dá)西定律，土體滲透性在固結(jié)過(guò)程中不變；土體是線彈性，其壓縮在固結(jié)過(guò)程中不變；土體固結(jié)變形是小變形；外荷載為驟加荷載。