气体积聚或释放引起的含天然气土的应力状态演化研究

研制了一个可控制温度的非饱和土固结压力室并与GDS三轴试验系统套装，研究气体积聚或释放过程中（即气体压力逐渐增大或减小过程），含天然气土的应力状态变量演化过程的物理机制及其影响效应，分析不同外力荷载和不同温度荷载等温条件下的持水滞回过程和固结机理，探索加热-冷却反复作用历史对含天然气土的持水特征曲线的影响。根据热动力学基本理论，引入温度效应影响因子，发展一个描述含天然气土的土-水特征曲线的数学模型。基于变形功的概念，建立一个包含温度效应影响的土骨架应力（即有效应力）、广义基质吸力和气相压力等状态变量演化的数学表达式，揭示外部荷载作用下含天然气土的三相物质的能量耗散和转换过程。 基于颗粒固体流体动力学理论和混合物理论，结合改进的土水特征曲线（SWCC）模型，考虑温度和饱和度变化引发相应的颗粒层次能量耗散，提出了一个非饱和土的热水力耦合模型。模型引入颗粒熵和颗粒温度的概念，将土体颗粒层次的耗散机制及其引发的宏观能量耗散描述为迁移系数和能量函数模型，并通过热力学恒等式得出非弹性变形的本构关系。通过模型预测与试验结果的对比，证实了模型的有效性：不同吸力和温度下的固结压缩曲线不同，压缩曲线斜率受温度的影响较小，而受吸力的影响较大；恒定吸力和压力下加热会引起热膨胀或热收缩。对正常固结的饱和粉质黏土试样进行6次升温-降温过程的室内热固结试验。研究表明，无论是正常固结土样还是超固结土样，在经过多次温度循环荷载作用后，会呈现为明显的超固结效应。而在相同的循环次数下，温度荷载作用引起的超固结效应随围压的减小而更为明显。 这些研究可为进一步建立非饱和土的本构模型奠定基础，在诸如天然气开发和贮存、污染物治理、跨海交通基础设施建设、核废料处置、地下空间利用的安全评价等方面有重要的学术意义和应用价值。 2100433B

研制一个可控制温度的非饱和土固结压力室并与GDS三轴试验系统套装，研究气体积聚或释放过程中（即气体压力逐渐增大或减小过程），含天然气土的应力状态变量演化过程的物理机制及其影响效应，分析不同外力荷载和不同温度荷载等温条件下的持水滞回过程和固结机理，探索加热-冷却反复作用历史对含天然气土的持水特征曲线的影响。根据热动力学基本理论，引入温度效应影响因子，发展一个描述含天然气土的土-水特征曲线的数学模型。基于变形功的概念，建立一个包含温度效应影响的土骨架应力（即有效应力）、广义基质吸力和气相压力等状态变量演化的数学表达式，揭示外部荷载作用下含天然气土的三相物质的能量耗散和转换过程。这些研究可为进一步建立非饱和土的本构模型奠定基础，在诸如天然气开发和贮存、污染物治理、跨海交通基础设施建设、核废料处置、地下空间利用的安全评价等方面有重要的学术意义和应用价值。

当挡土墙没有任何位移时，整个填土体在各点处的应力状态和没有建造挡土墙时与填土性质完全相同的天然土体中相应各点处的应力状态是完全一致的，即处于初始的弹性平衡状态。在填土表面下深度Z 处取一单元体A,那么作用在该单元体的水平面和垂直面上的应力为：

σz =σ1 =RZ σx =σ3 = K0RZ

式中：σz——地表下Z 深度处的自重应力；

σ1——作用于单元体A 的大主应力；

σx——作用于单元体A 的侧压力；

σ3——作用于单元体A 的小主应力；

K0 ——静止土压力系数；

R ——墙后填土重度；

Z ——计算点在填土下的深度。

根据上面的分析可知，在正常固结土中，σz=σ1=RZ, σ3 =σx= K0RZ，该单元体的应力状态可用莫尔圆Ⅰ表示。由于该点处于弹性平衡状态，故莫尔圆Ⅰ没有与抗剪强度包线相切。当挡土墙在土压力作用下向前移动或绕墙趾转动，墙后土体在水平方向上有拉伸趋势，在挡土墙的位移由零发展到墙后填土达到主动极限平衡状态时对应的位移量Δa 的过程中，σz=σ1 =RZ,保持不变；σx =σ3逐渐减小，且无法用解析法计算σ3的确定值。

挡土墙在位移过程中某一时刻单元体A 的应力状态可用莫尔圆来表示。当挡土墙位移增大到某一极限值时，即Δ－Δa 时，墙后土体在某一范围内达到主动极限平衡状态。由于墙底以下的土有摩擦作用，不可能在整个土体中都达到极限平衡状态，这时，σ3达到最小值，即σx =σ（3 min），而土的自重应力σz是大主应力却是不变的，即：

σz=σ1 =RZ σx =σ（3 min）

式中：σz——地表下Z 深度处的自重应力；

σ1——作用于单元体A 的大主应力；

R ——墙后填土重度；

Z ——计算点在填土下的深度；

σx——作用于单元体A 的侧压力；

σ（3 min）——主动土压力状态下土体剪切破坏时的最小主应力。

根据极限平衡条件可求出σ3 , 就是主动土压力强度。这时对应的极限应力圆可用圆Ⅲ来表示，圆Ⅲ与抗剪强度包线相切。这时填土中会形成一系列的滑裂面，面上各点都处于极限平衡状态，滑裂面与大主应力面的夹角是θ=45° φ/2，莫尔圆上切点与小主应力σ3的连线与σ轴的夹角即是θ 。