离子类溶质在土中迁移过程的耦合效应仿真分析

本项目拟针对环境岩土工程领域中废弃物进入含水岩土体系而产生的的危害问题，对孔隙水溶液中带电的离子类溶质在土中的迁移过程中发生的多相、多场耦合效应进行研究，初步为环境岩土工程中离子类溶质在土中迁移及其对土的力学性质影响的评估发展一个仿真分析工具。.通过试验研究离子类溶质在土中迁移的规律及其对土体力学性质的影响，并对孔隙水溶液中的带电离子与固体骨架之间质量交换的电-化学行为进行数学描述，对考虑了这种电-化学行为的控制非饱和土水溶液中混溶类污染物迁移过程的对流-扩散方程发展数值分析模型。考虑孔隙水溶液中带电离子与固体骨架之间质量交换的电-化学行为对固体骨架的影响，建立能够描述离子类溶质对土体力学性能影响的土中化学-热-水力-力学耦合的本构模型。建立孔隙水溶液中含离子类溶质的土中化学-热-水力-力学耦合行为仿真分析的有限元分析系统，并用该系统对特定的问题进行分析。

本项目开展了含有离子类溶质的孔隙水溶液在土中扩散过程的多场耦合研究。进行了如下工作：.1) 分析了离子类溶质在土中迁移时孔隙水溶液中带电离子与土的固体骨架之间质量交换的特点，以非线性吸附公式对其进行描述。考虑了土中污染物传输的基本控制机制，推导了土的孔隙水和固相颗粒中污染物的质量守恒方程，得到了控制离子类溶质在土中传输的对流-扩散方程。.2) 运用Full Upwind Petrov-Galerkin Method(FUPG)有限元方法对离子类溶质在土的孔隙水溶液中运移的控制方程进行了有限元离散，得到了关于浓度的非线性的有限元列式，并且发展了相应的有限元程序，对此非线性方程进行了求解。并采用此模型对一个一维问题进行了分析，通过与标准算例的比较，验证了模型的正确性。在此基础上，采用该模型进行了数值分析，研究了吸附参数对离子类溶质在土中扩散的影响。.3）基于已有的孔隙水中含离子类溶质的土的固结试验结果，研究了溶质浓度对土的性质的影响，提出了合适的软化函数的形式来模拟这种影响；推导了计及孔隙水中离子类溶质对土体性质影响的本构模型，根据试验结果拟合了模型的参数；在程序中实现了该本构模型的迭代算法。通过简单的算例对孔隙水中含离子类溶质的土的本构响应进行了模拟，对所发展的本构模型进行了检验。.4）结合本项目发展的离子类溶质在土中迁移过程的单元和本构模型，在传统的非饱和土多场耦合行为分析的有限元模型基础上，建立对离子类溶质在土中迁移过程中耦合行为进行模拟的有限元程序系统；采用该系统对孔隙水中离子类溶质在土中长期的迁移过程中发生的耦合行为进行了数值模拟。