寒區(qū)裂隙巖體變形-水分-熱質(zhì)-化學(xué)四場耦合理論構(gòu)架研究

　　隨著“北極資源爭奪戰(zhàn)”的展開，寒區(qū)巖土工程研究迎來了新的機(jī)遇。占地球陸地面積近 50%的凍土區(qū)的巖土體中賦存著豐富的各類資源，在這些地區(qū)進(jìn)行資源采和工程建設(shè)的過程中，遇到了大量凍巖（土）工程凍害問題。因此，本文以寒區(qū)巖體工程為背景，以可等效連續(xù)化的裂隙巖體為研究主體，緊抓低溫裂隙巖體的各向異性的水力、熱學(xué)特性及水-熱-力-化學(xué)耦合特性，基于經(jīng)典熱力學(xué)和裂隙巖體力學(xué)理論等，開展了裂隙巖體變形-水分-熱質(zhì)-化學(xué)耦合作用機(jī)制及相關(guān)理論的研究。主要取得了以下研究成果： （1） 建立了低溫下裂隙巖體的各向異性的水分遷移模型。根據(jù)凍結(jié)裂隙巖體和凍土的本質(zhì)區(qū)別，綜合考慮溫度（含水/冰相變）、應(yīng)力、化學(xué)損傷以及裂隙水的滲透特性等，基 于等效水力隙寬演化模型和單裂隙滲流模型，應(yīng)用多孔介質(zhì)的吸附薄膜理論和 Clapeyron方程，分析提出了裂隙巖體的特殊的溫度勢遷移機(jī)制，并建立了低溫裂隙巖體代表性體元的水分遷移的溫度驅(qū)動勢模型。基于裂隙幾何參數(shù)對裂隙巖體的滲透性能進(jìn)行了等效連續(xù)化分析，構(gòu)建了含多組優(yōu)勢節(jié)理的巖體各向異性水分遷移模型。 （2） 建立了低溫下裂隙巖體的各向異性傳熱模型。首先推導(dǎo)了不同含水條件下巖體單裂隙的切向和法向熱阻模型，以此為基礎(chǔ)，根據(jù)能量守恒原理建立了不同含水和連通條件下含單組裂隙巖體的各向異性傳熱模型；基于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和疊加原理構(gòu)建了含多組優(yōu)勢節(jié)理裂隙巖體的各向異性傳熱模型。此外，還研究了裂隙開度、長度、接觸率以及未凍水含量和流速等 5 個(gè)因素對低溫裂隙巖體傳熱特性的影響。最后通過兩個(gè)算例對建立的各向異性傳熱模型進(jìn)行了驗(yàn)證。 （3） 建立了裂隙巖體介質(zhì)代表性體元的受水、熱影響的化學(xué)損傷模型。以導(dǎo)師 2003年建立的常溫巖石化學(xué)損傷模型為基礎(chǔ)，進(jìn)一步提出了低溫下裂隙巖體的化學(xué)損傷機(jī)制和化學(xué)損傷對裂隙開度的影響兩個(gè)方面的研究思路與方法。通過考慮冰/水相變作用、流體流速以及溫度對化學(xué)反應(yīng)的影響，構(gòu)建了裂隙巖體介質(zhì)的代表性體元的受水、熱影響的化學(xué)損傷模型。反過來，從壓力溶蝕和表面溶蝕等化學(xué)損傷機(jī)制，進(jìn)一步研究了化學(xué)損傷對裂隙巖體變形、水分遷移、傳熱特性的影響。

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