考虑结合水与自由水转化的饱和土的热固结模型及试验验证

Based on the non-equilibrium thermodynamic process, the governing equations on the coupled thermo-hydro-mechanical consolidation are established, including mass conservation equation, momentum conservation equation and energy conservation equation. The proposed model takes into account the mutual transformation between the bound water phase and free water phase, and the energy dissipation of the three phase materials with two components (i.e., water and solid particle). A mathematical expression of generalized effective stress principle of saturated soils for describing the evolutions of soil skeleton stress, free water pressure and bound water pressure is proposed, which includes the effect of temperature. According to the concept of particle reconstruction, a thermal consolidation theoretical model is proposed, which can be used to consider the complex temperature path (e.g., cyclic thermal loading), and the damage effect and aging effect of soil induced by temperature. For this purpose, combined with an experimental system of GDS, a temperature-controlled triaxial consolidation apparatus for saturated soils is developed. Using finite-scale laboratory tests, the physical mechanism and degradation characteristics in the dissipation of pore water pressure and evolution of thermal volumetric strain are analyzed under various mechanical loading and various temperatures, which are used to verify the proposed theoretical model of thermal consolidation. These studies have important applications in the development of geothermal resources, the disposal of nuclear waste, the design of energy underground structure, gas extraction and storage, as well as contaminated soil remediation.

基于非平衡态热动力学过程，考虑“三相两组分”饱和土的结合水与自由水之间的物质转化，以及该两相物质和固体颗粒相的能量耗散过程，建立包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程的热-水-力耦合固结过程的控制方程。进而，推演考虑温度效应影响的土骨架应力、结合水相应力和自由水相应力的状态变量演化的广义有效应力原理的数学表达式。以“颗粒重组”思想为内核，构建一个可考虑复杂温度路径（如循环温度荷载）作用及温度引起的土体热损伤效应或老化效应的饱和土的热固结理论模型。利用申请者已研制的温控固结压力室系统，进行单元尺度的饱和土的热固结室内试验，探索不同应力路径和温度路径作用下饱和土孔隙水压力产生和消散以及体积应变演化的物理机制和衰减特征，并验证所建立的热固结理论模型。这些研究在诸如地热资源开发、核废料处置、能源地下结构设计、天然气开采和贮存，以及污染土壤修复等领域有重要的应用价值。

温度荷载作用下土的热固结特性的研究是当今环境岩土工程领域中的一个热点课题。它在热能贮存、地热资源开发、能源地下结构设计、核废料处置、软土地基加固（热稳定原理）、供热管道设计等方面有重要的实用价值。本研究基于非平衡态热动力学过程，考虑了“三相两组分”饱和土的结合水与自由水之间的物质转化，以及该两相物质和固体颗粒相的能量耗散过程，建立了一个包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程的热-水-力耦合固结过程的控制方程。基于变形功的概念，推演一个包含温度效应影响的热-水-力耦合固结问题的土骨架应力、结合水相应力和自由水相应力（即孔隙水压力）等的状态变量演化的广义有效应力原理的数学表达式，这是热固结理论模型构建的核心问题。然后，推演考虑温度效应影响的土骨架应力、结合水相应力和自由水相应力的状态变量演化的广义有效应力原理的数学表达式。其中，以“颗粒重组”思想为内核，构建一个可考虑复杂温度路径（如循环温度荷载）作用及温度引起的土体热损伤效应或老化效应的饱和土的热固结理论模型。利用已研制的温控固结压力室系统，进行单元尺度的饱和土的热固结室内试验，探索了不同应力路径和温度路径作用下饱和土孔隙水压力产生和消散以及体积应变演化的物理机制和衰减特征，并验证所建立的热固结理论模型。进行不同应力路径和温度路径组合作用下饱和土的热固结试验，研究饱和土单元内部的孔隙水压力和体积应变的演化过程和衰减特征。进行等压固结条件下，不排水的循环温度荷载作用引起的孔隙水压力演化的室内试验，探索温度荷载作用下饱和土试样的热变形（包括弹性变形和塑性变形）过程的可逆性问题以及热损伤效应。进而，在单元尺度下，对所建立的热固结理论模型加以试验验证。这一结论可为未来工程尺度的热-水-力三场耦合固结过程的数值计算提供稳定性和可靠性判别的依据。这些研究在诸如地热资源开发、核废料处置、能源地下结构设计、天然气开采和贮存，以及污染土壤修复等领域有重要的应用价值。