含相变低温岩体水热耦合模型研究.doc

含相变低温岩体水热耦合模型研究 谭贤君，陈卫忠，贾善坡，吕森鹏 (中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071) 摘要：根据冻融条件下岩体水分运动和热量迁移的基本规律，基于连续介质力学热力学理论，建立低温岩体温度场和渗流场耦合控制方程分凝势并将与Smith等的模型试验和现场试验进行分析，建立的耦合控制方程。在此基础上关键词：冻岩；相变；水热耦合；中图分类号： 文献标识码：A 文章编号： A COUPLED HYDRO-THERMAL MODEL FOR LOW TEMPERATURE ROCK INCLUDING PHASE CHANGE TAN Xianjun，，(State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China) Abstract：water movement and heat migration about rock mass under the freezing- thawing condition，based on the theory of continuum mechanics，thermodynamics and segregation potential，the coupled equations of seepage field and temperature field are established. This model can not only consider the influence of thermal conduction，latent heat and seepage velocity on the distribution of temperature，but also analyze the effect of water flow induced by segregation potential on the seepage velocity and seepage pressure. To verify the reliability and rationality of the equations，the comparison is done by using the same conditions between the model test which was done by M. Smith and the finite element analysis using this coupled mathematical model. Then the model is applied to a cold regional tunnel，and the distribution of temperature and active ring of permafrost are obtained. The results can give some references for design and construction of tunnel in cold regions. Key words：phase change；； 1 引 言 地球上多年冻岩(土)、季节冻岩(土)和瞬时冻岩(土)区的面积约占陆地面积的50%。我国是寒区面积分布最多的国家之一，永久性冻岩(土)和季节性冻岩(土)面积约占全国陆地总面积的75%。随着我国在寒区建设工程日益增多，出现了大量的冻岩(土)问题。 岩体的冻胀除受原位水冻结膨胀外，水分不断向冻结锋面迁移、聚集并结晶成冰透镜体，是造成岩体冻胀的主要来源[1]。因此，体的冻胀问题归根结底为冻岩中的水热迁移问题。从年代后期至今，众多学者[2]对水热迁移问题进行了比较深入的分析和研究，并提出了多个水、热耦合计算模型[10]，成功地解决了寒区岩体工程水、热耦合问题。但现有模型中仅考虑了土体水分迁移携带热量对温度场的影响，而对更为重要的水分迁移对热物理参数的影响相变潜热温度梯度引起的分凝势等问题还考虑不足[113]。基于此，针对现有方法的不足，本文将对含相变低温岩体水热耦合数学模型进行了研究。 2 水热耦合模型控制方程 对于低温岩体，其一般由岩石骨架孔隙水(或裂隙水)冰以及空气组成，而本文不考虑空气影响，即假定岩体为饱和状态。为便于研究，如下简化假定： (1) 岩体为均质、各向同性孔隙介质，并由骨架、水冰组成，满足混合物理论的基本假定。