基于相场理论的正冻饱和岩土介质的本构理论研究

A reasonable consideration of the memory effect of and pore fluid transport in the freezing saturated soil-rock medium is crucial for its mechanical and thermal analysis. To describe the memory effect of and pore fluid transport in the medium, based on the phase field theory and mixture theory, a phase field theory for the freezing saturated soil-rock medium is established in this project for the first time. By introducing the order parameters for the solid skeleton and pore fluid, the two phases are reduced to two special "solids". The balance laws for the solid skeleton and pore fluid are obtained by means of the mixture theory. The constitutive relations for the freezing saturated soil-rock medium is constructed using the entropy inequality of the medium. According to the established general phase field theory for the freezing saturated soil-rock medium, a specific phase field theory for the medium is derived. Based on the specific phase field theory for the medium, the corresponding finite element formulation is developed. Using the finite element model, numerical simulations of the freezing saturated soil-rock medium and its interaction with structures are carried out. To validate the proposed model, experiments concerning the freezing saturated soil-rock medium are conducted. The researches of this project are of significant importance for the development of the phase field theory and thermodynamics of the freezing saturated soil-rock medium, for the numerical simulations and predication of the freezing and thawing of the medium, for the design and calculation of the freezing method, and for the study of the durability of hydraulic concretes.

对正冻饱和岩土介质的记忆效应和其中孔隙水迁移的正确描述是对其进行热学、力学分析的关键。为了描述正冻饱和岩土介质的记忆效应及其中的孔隙水迁移，本课题基于相场理论和混合物理论，首次建立正冻饱和岩土介质的相场理论。通过引入序参量把正冻饱和岩土介质的骨架和孔隙水处理成两种特殊"固体"。根据混合物理论，建立骨架及孔隙水的各类守恒方程。利用正冻饱和岩土介质的熵不等式，建立其本构关系。根据所建立的正冻岩土介质的一般相场理论，建立正冻岩土介质的具体相场理论。基于所建立的岩土介质相场理论，建立相应的有限元模型。利用该有限元模型，对正冻岩土介质和其与结构的相互作用进行数值模拟。为验证所建立的相场理论，本课题拟对正冻岩土介质进行相关试验。本课题的研究对相场理论及正冻岩土介质热力学理论的发展，对岩土介质冻胀、冻融的数值模拟及预报，对冻结法施工的设计计算，对水工混凝土的耐久性研究等均具有重要意义。

本课题从理论方面、数值计算方面和试验方面对饱和正冻土及其和桩基础的相互作用进行了系统的研究。在理论方面，本课题根据相场理论，建立了正冻饱和土的两种理论模型，即单相和两相孔隙水模型。单相孔隙水模型的特点是，通过引入序参量把孔隙流体处理成单相介质；两相孔隙水模型的特点是，把孔隙流体处理成固液两相介质，且基于相场理论，通过引入饱和度的梯度项来描述固液相的界面能。此外，本课题还建立了考虑记忆效应的单相物质发生相变时的相场模型，该模型能计及相变过程中和序参量变化相关的应力对应变历史的依赖。在数值模拟方面，我们重点对冻土和桩基础的相互作用进行了数值模拟。为了对冻土和桩基础的相互作用进行数值模拟，我们首先把正冻饱和土处理成层状地基，并建立了求解层状饱和土地基的反射透射矩阵(RTM)方法，利用上述RTM方法可得层状饱和土的基本解，据此可建立冻土中桩基础的Fredholm积分方程，利用上述积分方程对冻胀土及冻融土和桩基础的相互作用进行了数值模拟，对冻胀土所引起的桩基础的冻胀力及冻融土所造成的桩基础的负摩阻力进行了计算。在数值计算方面，我们还对和起始水力坡降固结相关的移动界面问题， Hansbo非达西渗流下的大变形固结问题及考虑非达西渗流和应力历史影响的软土非线性固结问题进行了研究。在试验方面，我们首先研究了冻结过程中的水分迁移现象，即对冻结过程中，饱和度、温度梯度、温度变化率及含盐率，对冻土中水分迁移和水分重分布的影响进行了系统的研究；对冻土冻结过程中分凝冰的形成规律进行了研究，对温度场、水分场和力场等三场耦合条件下分凝冰的形成规律进行了系统的研究；对桩基础和冻土的相互作用进行了试验研究，系统研究了冻结过程中，桩周土体的温度、桩顶的上拔位移及桩侧摩阻力等随时间的变化规律。此外，在本课题中，我们还对在静载和动载联合作用下，饱和软土的排水特性进行了试验研究。