氣體積聚或釋放引起的含天然氣土的應(yīng)力狀態(tài)演化研究

研制了一個(gè)可控制溫度的非飽和土固結(jié)壓力室并與GDS三軸試驗(yàn)系統(tǒng)套裝，研究氣體積聚或釋放過(guò)程中（即氣體壓力逐漸增大或減小過(guò)程），含天然氣土的應(yīng)力狀態(tài)變量演化過(guò)程的物理機(jī)制及其影響效應(yīng)，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(guò)程和固結(jié)機(jī)理，探索加熱-冷卻反復(fù)作用歷史對(duì)含天然氣土的持水特征曲線的影響。根據(jù)熱動(dòng)力學(xué)基本理論，引入溫度效應(yīng)影響因子，發(fā)展一個(gè)描述含天然氣土的土-水特征曲線的數(shù)學(xué)模型?；谧冃喂Φ母拍?，建立一個(gè)包含溫度效應(yīng)影響的土骨架應(yīng)力（即有效應(yīng)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(xué)表達(dá)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(guò)程。 基于顆粒固體流體動(dòng)力學(xué)理論和混合物理論，結(jié)合改進(jìn)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(yīng)的顆粒層次能量耗散，提出了一個(gè)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(jī)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(guò)熱力學(xué)恒等式得出非彈性變形的本構(gòu)關(guān)系。通過(guò)模型預(yù)測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，證實(shí)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(huì)引起熱膨脹或熱收縮。對(duì)正常固結(jié)的飽和粉質(zhì)黏土試樣進(jìn)行6次升溫-降溫過(guò)程的室內(nèi)熱固結(jié)試驗(yàn)。研究表明，無(wú)論是正常固結(jié)土樣還是超固結(jié)土樣，在經(jīng)過(guò)多次溫度循環(huán)荷載作用后，會(huì)呈現(xiàn)為明顯的超固結(jié)效應(yīng)。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(yīng)隨圍壓的減小而更為明顯。 這些研究可為進(jìn)一步建立非飽和土的本構(gòu)模型奠定基礎(chǔ)，在諸如天然氣開(kāi)發(fā)和貯存、污染物治理、跨海交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、核廢料處置、地下空間利用的安全評(píng)價(jià)等方面有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。 2100433B

研制一個(gè)可控制溫度的非飽和土固結(jié)壓力室并與GDS三軸試驗(yàn)系統(tǒng)套裝，研究氣體積聚或釋放過(guò)程中（即氣體壓力逐漸增大或減小過(guò)程），含天然氣土的應(yīng)力狀態(tài)變量演化過(guò)程的物理機(jī)制及其影響效應(yīng)，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(guò)程和固結(jié)機(jī)理，探索加熱-冷卻反復(fù)作用歷史對(duì)含天然氣土的持水特征曲線的影響。根據(jù)熱動(dòng)力學(xué)基本理論，引入溫度效應(yīng)影響因子，發(fā)展一個(gè)描述含天然氣土的土-水特征曲線的數(shù)學(xué)模型?；谧冃喂Φ母拍?，建立一個(gè)包含溫度效應(yīng)影響的土骨架應(yīng)力（即有效應(yīng)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(xué)表達(dá)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(guò)程。這些研究可為進(jìn)一步建立非飽和土的本構(gòu)模型奠定基礎(chǔ)，在諸如天然氣開(kāi)發(fā)和貯存、污染物治理、跨海交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、核廢料處置、地下空間利用的安全評(píng)價(jià)等方面有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)擋土墻沒(méi)有任何位移時(shí)，整個(gè)填土體在各點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)和沒(méi)有建造擋土墻時(shí)與填土性質(zhì)完全相同的天然土體中相應(yīng)各點(diǎn)處的應(yīng)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(yīng)力為：

σz =σ1 =RZ σx =σ3 = K0RZ

式中：σz——地表下Z 深度處的自重應(yīng)力；

σ1——作用于單元體A 的大主應(yīng)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(yīng)力；

K0 ——靜止土壓力系數(shù)；

R ——墻后填土重度；

Z ——計(jì)算點(diǎn)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(yīng)力狀態(tài)可用莫爾圓Ⅰ表示。由于該點(diǎn)處于彈性平衡狀態(tài)，故莫爾圓Ⅰ沒(méi)有與抗剪強(qiáng)度包線相切。當(dāng)擋土墻在土壓力作用下向前移動(dòng)或繞墻趾轉(zhuǎn)動(dòng)，墻后土體在水平方向上有拉伸趨勢(shì)，在擋土墻的位移由零發(fā)展到墻后填土達(dá)到主動(dòng)極限平衡狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的位移量Δa 的過(guò)程中，σz=σ1 =RZ,保持不變；σx =σ3逐漸減小，且無(wú)法用解析法計(jì)算σ3的確定值。

擋土墻在位移過(guò)程中某一時(shí)刻單元體A 的應(yīng)力狀態(tài)可用莫爾圓來(lái)表示。當(dāng)擋土墻位移增大到某一極限值時(shí)，即Δ－Δa 時(shí)，墻后土體在某一范圍內(nèi)達(dá)到主動(dòng)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(gè)土體中都達(dá)到極限平衡狀態(tài)，這時(shí)，σ3達(dá)到最小值，即σx =σ（3 min），而土的自重應(yīng)力σz是大主應(yīng)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(yīng)力；

σ1——作用于單元體A 的大主應(yīng)力；

R ——墻后填土重度；

Z ——計(jì)算點(diǎn)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(dòng)土壓力狀態(tài)下土體剪切破壞時(shí)的最小主應(yīng)力。

根據(jù)極限平衡條件可求出σ3 , 就是主動(dòng)土壓力強(qiáng)度。這時(shí)對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力圓可用圓Ⅲ來(lái)表示，圓Ⅲ與抗剪強(qiáng)度包線相切。這時(shí)填土中會(huì)形成一系列的滑裂面，面上各點(diǎn)都處于極限平衡狀態(tài)，滑裂面與大主應(yīng)力面的夾角是θ=45° φ/2，莫爾圓上切點(diǎn)與小主應(yīng)力σ3的連線與σ軸的夾角即是θ 。