氣體積聚或釋放引起的含天然氣土的應力狀態(tài)演化研究

研制了一個可控制溫度的非飽和土固結(jié)壓力室并與GDS三軸試驗系統(tǒng)套裝，研究氣體積聚或釋放過程中（即氣體壓力逐漸增大或減小過程），含天然氣土的應力狀態(tài)變量演化過程的物理機制及其影響效應，分析不同外力荷載和不同溫度荷載等溫條件下的持水滯回過程和固結(jié)機理，探索加熱-冷卻反復作用歷史對含天然氣土的持水特征曲線的影響。根據(jù)熱動力學基本理論，引入溫度效應影響因子，發(fā)展一個描述含天然氣土的土-水特征曲線的數(shù)學模型?；谧冃喂Φ母拍?，建立一個包含溫度效應影響的土骨架應力（即有效應力）、廣義基質(zhì)吸力和氣相壓力等狀態(tài)變量演化的數(shù)學表達式，揭示外部荷載作用下含天然氣土的三相物質(zhì)的能量耗散和轉(zhuǎn)換過程。 基于顆粒固體流體動力學理論和混合物理論，結(jié)合改進的土水特征曲線（SWCC）模型，考慮溫度和飽和度變化引發(fā)相應的顆粒層次能量耗散，提出了一個非飽和土的熱水力耦合模型。模型引入顆粒熵和顆粒溫度的概念，將土體顆粒層次的耗散機制及其引發(fā)的宏觀能量耗散描述為遷移系數(shù)和能量函數(shù)模型，并通過熱力學恒等式得出非彈性變形的本構(gòu)關系。通過模型預測與試驗結(jié)果的對比，證實了模型的有效性：不同吸力和溫度下的固結(jié)壓縮曲線不同，壓縮曲線斜率受溫度的影響較小，而受吸力的影響較大；恒定吸力和壓力下加熱會引起熱膨脹或熱收縮。對正常固結(jié)的飽和粉質(zhì)黏土試樣進行6次升溫-降溫過程的室內(nèi)熱固結(jié)試驗。研究表明，無論是正常固結(jié)土樣還是超固結(jié)土樣，在經(jīng)過多次溫度循環(huán)荷載作用后，會呈現(xiàn)為明顯的超固結(jié)效應。而在相同的循環(huán)次數(shù)下，溫度荷載作用引起的超固結(jié)效應隨圍壓的減小而更為明顯。 這些研究可為進一步建立非飽和土的本構(gòu)模型奠定基礎，在諸如天然氣開發(fā)和貯存、污染物治理、跨海交通基礎設施建設、核廢料處置、地下空間利用的安全評價等方面有重要的學術意義和應用價值。 2100433B

研制一個可控制溫度的非飽和土固結(jié)壓力室并與GDS三軸試驗系統(tǒng)套裝，研究氣體積聚或釋放過程中（即氣體壓力逐漸增大或減小過程），含天然氣土的應力狀態(tài)變量演化過程的物理機制及其影響效應，分析不同外力荷載和不同溫度荷載等溫條件下的持水滯回過程和固結(jié)機理，探索加熱-冷卻反復作用歷史對含天然氣土的持水特征曲線的影響。根據(jù)熱動力學基本理論，引入溫度效應影響因子，發(fā)展一個描述含天然氣土的土-水特征曲線的數(shù)學模型?；谧冃喂Φ母拍睿⒁粋€包含溫度效應影響的土骨架應力（即有效應力）、廣義基質(zhì)吸力和氣相壓力等狀態(tài)變量演化的數(shù)學表達式，揭示外部荷載作用下含天然氣土的三相物質(zhì)的能量耗散和轉(zhuǎn)換過程。這些研究可為進一步建立非飽和土的本構(gòu)模型奠定基礎，在諸如天然氣開發(fā)和貯存、污染物治理、跨海交通基礎設施建設、核廢料處置、地下空間利用的安全評價等方面有重要的學術意義和應用價值。

當擋土墻沒有任何位移時，整個填土體在各點處的應力狀態(tài)和沒有建造擋土墻時與填土性質(zhì)完全相同的天然土體中相應各點處的應力狀態(tài)是完全一致的，即處于初始的彈性平衡狀態(tài)。在填土表面下深度Z 處取一單元體A,那么作用在該單元體的水平面和垂直面上的應力為：

σz =σ1 =RZ σx =σ3 = K0RZ

式中：σz——地表下Z 深度處的自重應力；

σ1——作用于單元體A 的大主應力；

σx——作用于單元體A 的側(cè)壓力；

σ3——作用于單元體A 的小主應力；

K0 ——靜止土壓力系數(shù)；

R ——墻后填土重度；

Z ——計算點在填土下的深度。

根據(jù)上面的分析可知，在正常固結(jié)土中，σz=σ1=RZ, σ3 =σx= K0RZ，該單元體的應力狀態(tài)可用莫爾圓Ⅰ表示。由于該點處于彈性平衡狀態(tài)，故莫爾圓Ⅰ沒有與抗剪強度包線相切。當擋土墻在土壓力作用下向前移動或繞墻趾轉(zhuǎn)動，墻后土體在水平方向上有拉伸趨勢，在擋土墻的位移由零發(fā)展到墻后填土達到主動極限平衡狀態(tài)時對應的位移量Δa 的過程中，σz=σ1 =RZ,保持不變；σx =σ3逐漸減小，且無法用解析法計算σ3的確定值。

擋土墻在位移過程中某一時刻單元體A 的應力狀態(tài)可用莫爾圓來表示。當擋土墻位移增大到某一極限值時，即Δ－Δa 時，墻后土體在某一范圍內(nèi)達到主動極限平衡狀態(tài)。由于墻底以下的土有摩擦作用，不可能在整個土體中都達到極限平衡狀態(tài)，這時，σ3達到最小值，即σx =σ（3 min），而土的自重應力σz是大主應力卻是不變的，即：

σz=σ1 =RZ σx =σ（3 min）

式中：σz——地表下Z 深度處的自重應力；

σ1——作用于單元體A 的大主應力；

R ——墻后填土重度；

Z ——計算點在填土下的深度；

σx——作用于單元體A 的側(cè)壓力；

σ（3 min）——主動土壓力狀態(tài)下土體剪切破壞時的最小主應力。

根據(jù)極限平衡條件可求出σ3 , 就是主動土壓力強度。這時對應的極限應力圓可用圓Ⅲ來表示，圓Ⅲ與抗剪強度包線相切。這時填土中會形成一系列的滑裂面，面上各點都處于極限平衡狀態(tài)，滑裂面與大主應力面的夾角是θ=45° φ/2，莫爾圓上切點與小主應力σ3的連線與σ軸的夾角即是θ 。