三维应力场及温度场耦合作用下饱和黏土的应力变形特性及本构模型研究

Exploitation of the shallow geothermal energy is now an interesting topic with the rapid development of renewable energy and geothermal heat pump (GHP) technologies. However, the theory of the shallow geothermal energy falls far behind its application. In particular, the mechanism of soil under the thermal-mechanical coupling remains unclear. This current research project is to investigate behaviors of strength, dilatancy, stress-strain relation and critical state of the normally consolidated (NC) and overconsolidated (OC) saturated clays under the combination of three-dimensional stress space and temperature field through the temperature-controlled hollow triaxial tests. The thermal effect on the strength, dilatancy and critical state of soils will be fully observed. A thermal-mechanical constitutive model in the framework of the bounding surface plasticity and critical state theories will be proposed. At last, this model will be embedded into the finite element software. A numerical analysis method will be established for analyzing the mechanical regime of saturated clays subjected to the thermal-mechanical coupling. The findings from the current research are expected to provide a scientific basis for exploitation of the shallow geothermal energy.

随着可再生能源和地源热泵技术的不断发展，浅层地热能的开发已成为工程中研究的热点问题之一，但是其理论研究远远落后于工程应用，尤其是土体在热-力耦合作用下的力学机理研究尚不成熟。本项目拟通过开展温控剪切试验，研究正常固结饱和黏土及超固结饱和黏土在三维应力场及温度场耦合作用下的强度、剪胀、应力变形、临界状态等特性；揭示热-力耦合作用下饱和黏土的强度、剪胀和临界状态随温度的变化规律；在边界面塑性理论及临界状态理论框架下，提出热-力耦合作用下饱和黏土的热力学本构模型；同时，将该模型开发到有限元软件中，建立热-力耦合作用下饱和黏土的数值分析方法，明确饱和黏土在热-力耦合作用下的力学机理。本项目研究成果将为我国浅层地热能的开发提供科学依据。

采用试验研究及理论研究等研究方法，对饱和土体在应力场及温度场耦合作用下的应力应变特性及本构模型开展了系统的研究。主要取得的成果包括：根据级配的不均匀系数（分形维数）和孔隙比对土体导热系数的影响，建立了土体导热系数的经验模型；针对橡胶颗粒-土体混合料中橡胶颗粒大小和含量对混合土体的基质模式和导热系数的影响，引入相对大小比和体积混合比两个参数并建立了混合土体的导热系数经验模型；针对不同密实状态下的饱和土体试样，开展了一系列不同有效应力和温度作用下的温控三轴剪切试验，揭示了不同有效应力、密实状态和温度作用下，饱和土体的热致轴向和体积变形特性；揭示了不同有效应力、密实状态和温度作用下，饱和土体试样的峰值状态、正常固结状态和临界状态等强度特性；揭示了不同加卸载作用下饱和土体试样在每个和整个试验阶段的热致轴向和体积变形特性。从双曲线模型和指数模型的切线模量出发，考虑温度对土体黏聚力、内摩擦角和指数参数的影响，提出一种新的幂函数型非线性弹性模型来描述考虑温度影响的土体力学行为。基础扰动状态概念，考虑土体体积变形和临界状态的热依赖行为，通过引入扰动函数来反映超固结比对饱和土体强度、剪胀和变形的影响，并将其嵌入剪胀应力比、潜在破坏应力比和塑性模量，建立了一种考虑温度效应的饱和土体热弹塑性本构模型。本项目的研究成果对阐明饱和土体在应力场及温度场耦合作用下的应力变形特性及揭示其力学机理具有重要的理论意义。