土壤冻结孔隙水迁移的格子Boltzmann数值模拟及实验研究

论文摘要

冻土是地球与大气之间物质和能量交换而形成的一种地质现象。全球冻土面积约占陆地面积的70%,我国拥有的冻土面积约占国土面积的75%,是世界第三冻土大国。近年来我国越来越多的大型工程项目将在冻土区域展开,如青藏铁路、川藏铁路、中俄输油管路线等。冻土对温度十分敏感,气温的周期变化使得地表土体处于冻结与融化交替的过程状态,能引起路基土体的冻胀、融沉及冻融翻浆等地质灾害,从而对工程项目的建设与保养带来很大的技术难题。土壤冻结过程是一个伴随多种物理现象的耦合过程,其中最主要的是水热迁移及相变过程。因而,对土壤冻结过程中孔隙水迁移规律的数值模拟及实验研究,有助于有效预测并预防土壤冻结所引起的地质灾害,对降低冻土地区工程项目建设困难具有重要的指导意义。基于格子Boltzmann方法,在多孔介质数值模型中引入了SC（Shan-Chen）多相流模型及焓的相变模型,分别建立了可以描述土壤粒径级配特性和形状特性的随机球体颗粒堆积土壤结构模型及随机生长土壤结构模型;数值模拟了不同颗粒级配形式时随机球体颗粒堆积土壤结构的渗透率和孔隙弯曲度,模拟结果与理论值的相对误差分别在±25%及±15%之内;数值模拟了不同孔隙率及比表面积时随机生长土壤结构的渗透率和孔隙弯曲度,土壤孔隙率为0.45～0.85 m3/m时,模拟结果与理论值的相对误差分别在±15%及±20%之内。基于SC多相流模型,结合孔隙尺度随机生长土壤结构模型,建立了土壤孔隙水分布模型,数值模拟了不同孔隙率、亲疏水性及饱和度下非饱和土壤中水和空气的分布形态。土壤孔隙率的减小会导致分散小气泡的形成;土壤颗粒表面由亲水性向疏水性转变时,土壤孔隙中气泡将逐渐由中间向壁面迁移;土壤饱和度的增加促进了孔隙通道中小气泡的形成。基于焓的相变模型,结合孔隙尺度随机球形颗粒堆积土壤结构模型,构建了孔隙尺度孔隙水相变温度分布算法,建立了土壤冻结过程中的孔隙水渗透模型,预测了不同温度下冻土中未冻结孔隙水的含量及其渗透率的变化,未冻结孔隙水的含量模拟结果与实验值相关性系数分别高达0.97（沙土）及0.97（细土）,冻土渗透率模拟值与实验值的相关性系数分别高达0.96（沙土）及0.95（细土）,从而验证了孔隙尺度土壤冻结过程渗透模型的可靠性。基于SC多相流模型及焓的相变模型,引入冻结前沿冻吸驱动力及未冻结孔隙水体积分数与局部孔隙率的关系式,建立了土壤冻结过程孔隙水迁移模型,数值模拟了土壤冻结过程中孔隙水的分布和孔隙水的变化。冻结12 h、24 h和50 h后,土壤孔隙水分布模拟结果与实验结果相关性分别高达0.92、0.83和0.92;对于饱和度为0.33的土壤,土壤孔隙水含量随温度变化的模拟结果与实验值的相关性系数分别高达0.97（第1层）及0.95（第2层）;饱和度为0.16时,第1、2层土壤孔隙水含量随温度变化的的模拟结果与实验值的相关性系数均高达0.97。表明所建立土壤冻结过程孔隙水迁移模型在预测土壤冻结过程中孔隙水上的准确性。对足尺度土壤冻融过程孔隙水迁移特性和小尺度土壤冻胀特性进行了实验研究。发现在足尺度土壤冻结过程中,孔隙水含量随温度由高温逐渐降低到相变温度时,未冻结区域土壤孔隙水含量会逐渐增加,并在临近相变点处产生突降现象;在足尺度土壤融化过程中,随土壤温度由低温逐渐上升到相变温度时,冻结区域土壤孔隙水会逐渐下降;土壤冻胀过程分为三个阶段:压缩阶段、快速冻胀阶段及恒定冻胀阶段。基于土壤孔隙水迁移与土壤孔隙水蒸发的动态平衡假设,结合SWRC及初始孔隙水水势拟合公式,分别计算了土壤冻融过程中未冻结区域第1、2层孔隙水含量随温度的变化。计算值与实验值之间的相关性系数分别高达0.95及0.98,融化过程中计算值与实验值之间的相关性系数分别高达0.94及0.99;基于已有的土壤冻胀速率计算公式,引入了快速冻胀阶段冰透镜的形成对未冻结区域土壤孔隙水直接抽吸距离DzTf的拟合公式,结合未冻结区域孔隙水渗透率及冻结区域水膜厚度数值计算结果,对小尺度平均粒径为6.25μm和12.5μm的土壤样品冻胀量进行了预测,预测值与实验值之间的误差控制在±15%之内,相关系数高达0.99。

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摘要

Abstract

主要符号表

第1章绪论

1.1 研究意义

1.2 国内外土壤冻结过程水热迁移的研究进展

1.2.1 多相流格子Boltzmann方法

1.2.2 土壤结构及其渗透率

1.2.3 土壤冻结过程渗透率

1.2.4 土壤冻结过程孔隙水迁移

1.3 国内外文献综述总结

1.4 论文的主要研究内容及框架

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 研究框架

第2章多孔介质多相流模型及相变模型

2.1 引言

2.2 格子Boltzmann方程

2.2.1 单松弛时间LBM（BGK）

2.2.2 多松弛时间LBM（MRT）

2.3 Shan-Chen多相流模型

2.3.1 Shan-Chen模型基本方程

2.3.2 凝聚力参数Gcoh的取值

2.3.3 粘附性力参数Gads的取值

2.3.4 多相流边界条件的处理

2.4 相变模型

2.4.1 相变过程中连续介质守恒方程

2.4.2 相变模型基本方程

2.4.3 多孔介质导热相变模型验证

2.5 本章小结

第3章土壤结构模型及其渗透特性

3.1 引言

3.2 真实土壤颗粒形状特性及颗粒级配特性

3.3 土壤结构生成模型

3.3.1 随机球体颗粒堆积法生成的土壤结构

3.3.2 随机生长法生成的土壤结构

3.3.3 体积分数法生成的土壤结构

3.4 土壤渗透特性

3.4.1 土壤渗透率理论模型

3.4.2 土壤结构模型孔隙率及比表面积

3.4.3 土壤渗透特性数值模拟

3.5 本章小结

第4章土壤冻结过程孔隙水渗透特性

4.1 引言

4.2 土壤孔隙水分布的数值模拟

4.2.1 土壤孔隙水分布数值模拟的实验验证

4.2.2 土壤孔隙水分布随孔隙率的变化

4.2.3 土壤孔隙水分布随颗粒表面亲疏水性的变化

4.2.4 土壤孔隙水分布随饱和度的变化

4.3 冻土渗透数值模拟

4.3.1 土壤孔隙尺度孔隙水相变温度分布

4.3.2 土壤冻结过程未冻结孔隙水含量随温度的变化

4.3.3 土壤冻结过程渗透率随温度的变化

4.4 本章小结

第5章土壤冻结过程水热迁移数值模拟

5.1 引言

5.2 土壤冻结过程水热迁移模型建立

5.3 土壤冻结过程水热迁移模型验证

5.3.1 土壤冻结过程孔隙水含量分布

5.3.2 土壤冻结过程孔隙水含水量随温度变化

5.4 本章小结

第6章土壤冻结过程水热迁移实验研究

6.1 引言

6.2 足尺度土壤冻冻融过程水热迁移实验研究

6.2.1 足尺度土壤冻融水热迁移实验搭建

6.2.2 土壤冻融过程中温度及孔隙水含量分布的变化

6.2.3 土壤冻融过程中土壤孔隙水随温度的变化

6.2.4 土壤冻融过程中孔隙水迁移的机理分析

6.3 小尺度土壤冻胀实验研究

6.3.1 实验装置及土壤样品

6.3.2 实验步骤

6.3.3 土壤冻胀过程中冰透镜的形成

6.3.4 土壤冻胀量及冻胀速率的变化

6.3.5 土壤冻结过程中冻胀的机理分析

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士期间发表的论文

致谢

个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 许飞

导师: 李炳熙,张亚宁

关键词: 土壤冻结,冻土渗透率,孔隙水迁移,冻胀,格子模拟,实验研究

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备,建筑科学与工程

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 国家自然科学基金项目(No.51776049)“土壤冻融过程水热迁移特性及机理研究”

分类号: P642.14

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005207

总页数: 153

文件大小: 15871k

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