污染物通過區(qū)域飽和－－非飽和土體的運動理論

本研究根據(jù)區(qū)域含水層導(dǎo)水性能和吸附性能的空間變異特點，應(yīng)用隨機場理論和方法，研究污染物通過區(qū)域飽和與非飽和土壤的運動機理、控制方程、吸附模型，宏現(xiàn)彌散參數(shù)的解析表達式和參數(shù)確定方法，在平穩(wěn)隨機場條件下，得到平均濃度及其方差所遵守的基本方程，給出了方程中宏觀參數(shù)的解析表達式。另外，根據(jù)區(qū)域污染物運動具有不確定性的特點，研究了地下水污不雜的可靠性分析方法，在實驗室內(nèi)進行了污不雜物質(zhì)通過非飽和土體的吸附實驗，確定了含水量，水流特性和土壤特性對吸附作用的影響。應(yīng)用隨機方法分析了野外小區(qū)域溶質(zhì)運移的試驗結(jié)果。本研究成果對于區(qū)域地下水污染的預(yù)測預(yù)報和污染含水層的治理有一定理論意義。

在污染物遷移模型中考慮土體固結(jié)的耦合影響是國際上近年來的一個重要發(fā)展方向。天然黏土常用作廢棄物堆場等防滲基礎(chǔ)并易發(fā)生大變形固結(jié)?，F(xiàn)有大變形固結(jié)與污染物遷移耦合模型由于采用Gibson固結(jié)理論而存在一維局限性和保守體系的不足，與實際工程情況出入較大。擬首先按連續(xù)介質(zhì)有限變形理論，采用飽和土表征體元概念并考慮多維變形客觀性要求，建立Eulerian和Lagrangian描述的多維大變形固結(jié)與污染物遷移耦合模型；再基于非保守體系固體力學大變形擬變分原理的推廣形式，發(fā)展多維固結(jié)與遷移耦合擬變分原理和虛功方程，研究相應(yīng)的Lagrangian和ALE描述的有限元法并編制程序。通過土柱試驗、固結(jié)試驗和三軸固結(jié)誘發(fā)遷移試驗，研究一維和多維大變形固結(jié)對污染物遷移的影響規(guī)律，以及溶質(zhì)遷移對大變形應(yīng)力場和滲流場本構(gòu)模型的耦合影響；結(jié)合理論模擬與試驗結(jié)果對比分析，驗證和完善理論模型合理性并分析傳統(tǒng)模型的適用范圍。

在污染物遷移模型中考慮土體固結(jié)的耦合影響是近年來的一個重要研究方向。天然黏土常用在廢棄物堆場等防滲基礎(chǔ)并易發(fā)生大變形固結(jié)，傳統(tǒng)的小變形理論不適應(yīng)于該情況。項目在研究黏土防滲層中污染物運移和轉(zhuǎn)化規(guī)律時，分別考慮了一維的Gibson大變形固結(jié)模型和多維的連續(xù)介質(zhì)大變形固結(jié)模型，以克服以往不考慮固結(jié)變形或采用小變形假定的局限性。主要研究內(nèi)容包括：（1）基于Gibson一維大變形固結(jié)理論和飽和多孔介質(zhì)中的污染物對流擴散方程，建立了二者耦合的可變形多孔介質(zhì)中污染物的運移和轉(zhuǎn)化模型，其中首次考慮了土體自重和生物降解作用的影響；（2）利用所建立耦合模型的數(shù)值解，研究了在可變形黏土防滲層中的污染物運移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，同時分析了模型中不同項和主要參數(shù)的作用和影響；（3）在多維化模型方面，基于飽和土體表征體元完善了多維大變形固結(jié)模型，再根據(jù)固液兩相污染物質(zhì)量守恒等，建立Lagrangian描述和Eulerian描述污染物多維遷移模型及控制方程；（4）接著基于商業(yè)軟件平臺，模擬分析了動態(tài)土柱試驗，結(jié)果與室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)吻合較好，然后重點對二維條件下粘土大變形固結(jié)與污染物遷移耦合進行了模擬分析，其中按ALE法進行大變形處理。主要結(jié)果和結(jié)論有：（1）土體大變形對黏土防滲層中污染物的運移有著較復(fù)雜的影響，一方面土體變形會加速污染物運移，另一方面土體固結(jié)帶來的滲透性減小會增加污染物的穿透時間，二者的不同作用取決于眾多的影響因素，如土層厚度和吸附作用等；（2）不考慮荷載時，土體吸附系數(shù)和孔隙率對污染物遷移的影響相對較大，而土體擴散系數(shù)和彌散系數(shù)對污染物遷移影響相對較小，而考慮土體荷載時，土體孔隙率對污染物遷移影響最大，土體吸附系數(shù)對污染物遷移影響次之，擴散系數(shù)對污染物遷移影響較?。唬?）隨著荷載增加，土體固結(jié)變形也相應(yīng)增加，污染物遷移范圍隨之明顯擴大，大、小變形法分析結(jié)果差別也隨之增大；大變形理論相比于小變形理論，得出的污染物遷移深度較大，說明大變形分析下填埋場防滲能力弱于小變形分析結(jié)果；（4）在填埋場防滲層設(shè)計中，若填埋場底部承受較大荷載，應(yīng)考慮滲透系數(shù)對污染物遷移深度影響增大的效應(yīng)，而當滲濾液浸潤線較高時，填埋場黏土層中部污染物后期遷移深度大于兩側(cè)。大變形固結(jié)與污染物遷移耦合分析，對于地下水污染物控制和保護水環(huán)境，意義重大，需要加強研究。 2100433B

本課題從理論方面、數(shù)值計算方面和試驗方面對飽和正凍土及其和樁基礎(chǔ)的相互作用進行了系統(tǒng)的研究。在理論方面，本課題根據(jù)相場理論，建立了正凍飽和土的兩種理論模型，即單相和兩相孔隙水模型。單相孔隙水模型的特點是，通過引入序參量把孔隙流體處理成單相介質(zhì)；兩相孔隙水模型的特點是，把孔隙流體處理成固液兩相介質(zhì)，且基于相場理論，通過引入飽和度的梯度項來描述固液相的界面能。此外，本課題還建立了考慮記憶效應(yīng)的單相物質(zhì)發(fā)生相變時的相場模型，該模型能計及相變過程中和序參量變化相關(guān)的應(yīng)力對應(yīng)變歷史的依賴。在數(shù)值模擬方面，我們重點對凍土和樁基礎(chǔ)的相互作用進行了數(shù)值模擬。為了對凍土和樁基礎(chǔ)的相互作用進行數(shù)值模擬，我們首先把正凍飽和土處理成層狀地基，并建立了求解層狀飽和土地基的反射透射矩陣(RTM)方法，利用上述RTM方法可得層狀飽和土的基本解，據(jù)此可建立凍土中樁基礎(chǔ)的Fredholm積分方程，利用上述積分方程對凍脹土及凍融土和樁基礎(chǔ)的相互作用進行了數(shù)值模擬，對凍脹土所引起的樁基礎(chǔ)的凍脹力及凍融土所造成的樁基礎(chǔ)的負摩阻力進行了計算。在數(shù)值計算方面，我們還對和起始水力坡降固結(jié)相關(guān)的移動界面問題， Hansbo非達西滲流下的大變形固結(jié)問題及考慮非達西滲流和應(yīng)力歷史影響的軟土非線性固結(jié)問題進行了研究。在試驗方面，我們首先研究了凍結(jié)過程中的水分遷移現(xiàn)象，即對凍結(jié)過程中，飽和度、溫度梯度、溫度變化率及含鹽率，對凍土中水分遷移和水分重分布的影響進行了系統(tǒng)的研究；對凍土凍結(jié)過程中分凝冰的形成規(guī)律進行了研究，對溫度場、水分場和力場等三場耦合條件下分凝冰的形成規(guī)律進行了系統(tǒng)的研究；對樁基礎(chǔ)和凍土的相互作用進行了試驗研究，系統(tǒng)研究了凍結(jié)過程中，樁周土體的溫度、樁頂?shù)纳习挝灰萍皹秱?cè)摩阻力等隨時間的變化規(guī)律。此外，在本課題中，我們還對在靜載和動載聯(lián)合作用下，飽和軟土的排水特性進行了試驗研究。 2100433B