飽和黏土大變形固結與污染物遷移多維耦合理論研究項目摘要

在污染物遷移模型中考慮土體固結的耦合影響是國際上近年來的一個重要發(fā)展方向。天然黏土常用作廢棄物堆場等防滲基礎并易發(fā)生大變形固結?，F(xiàn)有大變形固結與污染物遷移耦合模型由于采用Gibson固結理論而存在一維局限性和保守體系的不足，與實際工程情況出入較大。擬首先按連續(xù)介質有限變形理論，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與污染物遷移耦合模型；再基于非保守體系固體力學大變形擬變分原理的推廣形式，發(fā)展多維固結與遷移耦合擬變分原理和虛功方程，研究相應的Lagrangian和ALE描述的有限元法并編制程序。通過土柱試驗、固結試驗和三軸固結誘發(fā)遷移試驗，研究一維和多維大變形固結對污染物遷移的影響規(guī)律，以及溶質遷移對大變形應力場和滲流場本構模型的耦合影響；結合理論模擬與試驗結果對比分析，驗證和完善理論模型合理性并分析傳統(tǒng)模型的適用范圍。

在污染物遷移模型中考慮土體固結的耦合影響是近年來的一個重要研究方向。天然黏土常用在廢棄物堆場等防滲基礎并易發(fā)生大變形固結，傳統(tǒng)的小變形理論不適應于該情況。項目在研究黏土防滲層中污染物運移和轉化規(guī)律時，分別考慮了一維的Gibson大變形固結模型和多維的連續(xù)介質大變形固結模型，以克服以往不考慮固結變形或采用小變形假定的局限性。主要研究內容包括：（1）基于Gibson一維大變形固結理論和飽和多孔介質中的污染物對流擴散方程，建立了二者耦合的可變形多孔介質中污染物的運移和轉化模型，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移和轉化規(guī)律，同時分析了模型中不同項和主要參數(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模型，再根據(jù)固液兩相污染物質量守恒等，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，模擬分析了動態(tài)土柱試驗，結果與室內試驗數(shù)據(jù)吻合較好，然后重點對二維條件下粘土大變形固結與污染物遷移耦合進行了模擬分析，其中按ALE法進行大變形處理。主要結果和結論有：（1）土體大變形對黏土防滲層中污染物的運移有著較復雜的影響，一方面土體變形會加速污染物運移，另一方面土體固結帶來的滲透性減小會增加污染物的穿透時間，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，土體吸附系數(shù)和孔隙率對污染物遷移的影響相對較大，而土體擴散系數(shù)和彌散系數(shù)對污染物遷移影響相對較小，而考慮土體荷載時，土體孔隙率對污染物遷移影響最大，土體吸附系數(shù)對污染物遷移影響次之，擴散系數(shù)對污染物遷移影響較?。唬?）隨著荷載增加，土體固結變形也相應增加，污染物遷移范圍隨之明顯擴大，大、小變形法分析結果差別也隨之增大；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，說明大變形分析下填埋場防滲能力弱于小變形分析結果；（4）在填埋場防滲層設計中，若填埋場底部承受較大荷載，應考慮滲透系數(shù)對污染物遷移深度影響增大的效應，而當滲濾液浸潤線較高時，填埋場黏土層中部污染物后期遷移深度大于兩側。大變形固結與污染物遷移耦合分析，對于地下水污染物控制和保護水環(huán)境，意義重大，需要加強研究。 2100433B

在多種環(huán)境巖土工程項目的運營機理中，都包含了兩類過程，一是物理化學過程（主要是污染物的運移過程和污染物的稀釋過程）,二是巖土體的力學變化過程（主要是滲流過程和固結過程）。過去環(huán)境專業(yè)和土力學專業(yè)的學者們分別作了很多研究，但對兩類過程的相互耦合作用研究不夠。需要對基本理論、描述方程、基本參數(shù)和工程規(guī)律進行系統(tǒng)性的研究。本項目擬通過室內試驗、理論建模和數(shù)值模擬對土體固結變形和污染物運移耦合模型進行研究，室內試驗能夠考慮固結變形對污染物運移的影響，建立比奧固結理論與污染物運移理論相耦合模型，并用數(shù)值方法進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移轉化規(guī)律。該項目的研究對于軟弱土層地區(qū)或堆場防滲系統(tǒng)的設計以及環(huán)境安全性評價具有重要的理論意義和實用價值。

在多種環(huán)境巖土工程項目的運營機理中，都包含了兩類過程，一是物理化學過程（主要是污染物的運移過程和污染物的稀釋過程）,二是巖土體的力學變化過程（主要是滲流過程和固結過程）。過去環(huán)境專業(yè)和土力學專業(yè)的學者們分別作了很多研究，但對兩類過程的相互耦合作用研究不夠。目前對污染物在土層中運移規(guī)律的研究較少考慮土體固結變形的影響，但這卻又是個非?，F(xiàn)實的問題，在實際工程中應該考慮荷載作用的影響。本項目基于比奧固結理論和污染物運移理論，建立了污染物在固結變形土體中的一維運移模型,采用有限差分法對模型進行了數(shù)值求解。針對不同的吸附模式，研究了防滲層固結變形及吸附參數(shù)對污染物運移規(guī)律的影響，并對比分析了考慮土體固結變形與不考慮土體固結變形對污染物運移規(guī)律造成的差異。主要研究內容及結論如下： （1）建立了考慮土體固結變形的污染物運移模型，采用數(shù)值積分方法推導出了所建定解問題的有限差分格式，并用能量法對所建差分格式的穩(wěn)定性進行了證明。 （2）污染源濃度恒定且源源不斷供給情況下，在特定時刻土層中污染物濃度隨著深度的增加而逐漸減小，固結壓力越大，污染物的運移深度就越小，并且某一深度處污染物濃度隨著時間的增加逐漸積累并最終達到污染源濃度值。另外無論采用何種吸附模式，當選取的吸附參數(shù)使得土顆粒的吸附能力逐漸增強時，在相同的運移時間內，污染物運移深度逐漸減小，且某一深度處污染物濃度達到源濃度所需的時間逐漸增加。吸附參數(shù)取值的不同對污染物運移規(guī)律的影響隨吸附能力的增強而逐漸減弱。 （3）污染源濃度隨時間呈指數(shù)規(guī)律衰減情況下，在特定時刻土層中污染物濃度隨深度先增加后減小，在某一深度處達到峰值濃度，濃度峰值隨固結壓力增大而減小。同時某一深度處污染物濃度隨著時間增加也呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，并在某一時刻達到峰值濃度，且濃度峰值隨固結壓力增大而減小，達到峰值濃度所需時間逐漸增大。另外隨著土體吸附能力的提高，污染物運移深度逐漸減小，某一深度處污染物濃度隨時間變化曲線的峰值濃度逐漸減小，并且達到峰值濃度所需的時間逐漸增加。 2100433B

土體在外加荷載作用下，由于孔隙比減少而壓密變形，同時提高了強度。對于飽和土，只有當孔隙水擠出以后，變形才能產(chǎn)生。開始時，土中應力全部由孔隙水承擔。隨著孔隙水的擠出，孔隙水壓力逐步轉變?yōu)橛赏凉羌艹惺艿挠行?。研究這兩種應力的相互消長以及土體變形達到最終值的過程，稱為固結理論。

1924年，太沙基提出一維固結理論和有效應力原理，建立了土體的一維固結理論，奠定了現(xiàn)代土力學的基礎，標志著土力學學科的誕生。土體是多相體，是歷史與自然界的產(chǎn)物，土體的變形規(guī)律比較復雜，這些因素決定了土體固結過程的復雜性對固結過程的數(shù)學描述首先歸公于太沙基，他在一系列假定墓礎上，建立了著名的一維固結理論，通常稱為太沙基固結理論。其假設為：土體是完全飽和的均質土；土骨架的壓縮和孔隙水的滲流僅發(fā)生在一個方向上，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西定律，土體滲透性在固結過程中不變；土體是線彈性，其壓縮在固結過程中不變；土體固結變形是小變形；外荷載為驟加荷載。