饱和黏土大变形固结与污染物迁移多维耦合理论研究

在污染物迁移模型中考虑土体固结的耦合影响是国际上近年来的一个重要发展方向。天然黏土常用作废弃物堆场等防渗基础并易发生大变形固结。现有大变形固结与污染物迁移耦合模型由于采用Gibson固结理论而存在一维局限性和保守体系的不足，与实际工程情况出入较大。拟首先按连续介质有限变形理论，采用饱和土表征体元概念并考虑多维变形客观性要求，建立Eulerian和Lagrangian描述的多维大变形固结与污染物迁移耦合模型；再基于非保守体系固体力学大变形拟变分原理的推广形式，发展多维固结与迁移耦合拟变分原理和虚功方程，研究相应的Lagrangian和ALE描述的有限元法并编制程序。通过土柱试验、固结试验和三轴固结诱发迁移试验，研究一维和多维大变形固结对污染物迁移的影响规律，以及溶质迁移对大变形应力场和渗流场本构模型的耦合影响；结合理论模拟与试验结果对比分析，验证和完善理论模型合理性并分析传统模型的适用范围。

在污染物迁移模型中考虑土体固结的耦合影响是近年来的一个重要研究方向。天然黏土常用在废弃物堆场等防渗基础并易发生大变形固结，传统的小变形理论不适应于该情况。项目在研究黏土防渗层中污染物运移和转化规律时，分别考虑了一维的Gibson大变形固结模型和多维的连续介质大变形固结模型，以克服以往不考虑固结变形或采用小变形假定的局限性。主要研究内容包括：（1）基于Gibson一维大变形固结理论和饱和多孔介质中的污染物对流扩散方程，建立了二者耦合的可变形多孔介质中污染物的运移和转化模型，其中首次考虑了土体自重和生物降解作用的影响；（2）利用所建立耦合模型的数值解，研究了在可变形黏土防渗层中的污染物运移和转化规律，同时分析了模型中不同项和主要参数的作用和影响；（3）在多维化模型方面，基于饱和土体表征体元完善了多维大变形固结模型，再根据固液两相污染物质量守恒等，建立Lagrangian描述和Eulerian描述污染物多维迁移模型及控制方程；（4）接着基于商业软件平台，模拟分析了动态土柱试验，结果与室内试验数据吻合较好，然后重点对二维条件下粘土大变形固结与污染物迁移耦合进行了模拟分析，其中按ALE法进行大变形处理。主要结果和结论有：（1）土体大变形对黏土防渗层中污染物的运移有着较复杂的影响，一方面土体变形会加速污染物运移，另一方面土体固结带来的渗透性减小会增加污染物的穿透时间，二者的不同作用取决于众多的影响因素，如土层厚度和吸附作用等；（2）不考虑荷载时，土体吸附系数和孔隙率对污染物迁移的影响相对较大，而土体扩散系数和弥散系数对污染物迁移影响相对较小，而考虑土体荷载时，土体孔隙率对污染物迁移影响最大，土体吸附系数对污染物迁移影响次之，扩散系数对污染物迁移影响较小；（3）随着荷载增加，土体固结变形也相应增加，污染物迁移范围随之明显扩大，大、小变形法分析结果差别也随之增大；大变形理论相比于小变形理论，得出的污染物迁移深度较大，说明大变形分析下填埋场防渗能力弱于小变形分析结果；（4）在填埋场防渗层设计中，若填埋场底部承受较大荷载，应考虑渗透系数对污染物迁移深度影响增大的效应，而当渗滤液浸润线较高时，填埋场黏土层中部污染物后期迁移深度大于两侧。大变形固结与污染物迁移耦合分析，对于地下水污染物控制和保护水环境，意义重大，需要加强研究。