1、工作匯報趙亮COMSOL 軟件介紹 工作情況主要是，學習使用COMSOL軟件，來模擬凍土路基的水熱力三場耦合的問題。 在COMSOL學習過程中，模擬了土體中水分遷移的模型、Biot固結(jié)、土體開挖。 并且，在COMSOL上建立了凍土路基模型，進行了溫度場和力場耦合計算。COMSOL 軟件簡介COMSOL 軟件介紹三場耦合簡介 三場耦合最早的使用在垃圾場填埋中。垃圾填埋涉及到多場耦合作用。包括：溫度場 滲流場 化學場 固結(jié)效應三場耦合模型簡介在1976年，有Hardin首先把三場耦合應用在凍土路基的研究中。對三場耦合模型目前的發(fā)展情況和存在的問題都進行了闡述下面對面前的工作做簡單的回顧。 對季節(jié)性

2、凍土區(qū)路基水熱力三場耦合的數(shù)學模型中，包含溫度場、水分場、應力場。 三場耦合模型：三場耦合模型 溫度場 邊界條件：定溫邊界、對流邊界、輻射邊界。2222fs=ttPVTTTCKQLXY溫度場邊界條件 所以，可以看出在空氣對流和熱輻射確實可以帶來短時間的溫度變化。凍土路基因為暴露在空氣中，最理想的邊界條件應選取與空氣的對流邊界和陽光的輻射邊界。 但是這兩種邊界的隨機性比較強，也不夠穩(wěn)定，都是短時間效果比較強。單在一個凍融周期內(nèi)，大時間跨度下考慮以平均溫度作為邊界條件的定溫邊界比較合適。水分場 水分場一般分為滲流場和流體場。 通常描繪水分場的方程有：布萊克曼方程、理查德方程、達西滲流定律。水分場

3、通常凍土中水分的遷移被認為是和飽和土中水分的遷移模式相類似。所以，在模型中，選用達西滲流定律。VKJ式中：v為滲流速度； K為巖土的滲流系數(shù) J為水勢梯度水分場 再未考慮相變情況下的水分場控制方程。2222=+tKXY應力場 應力場是作為凍土路基是否破壞的最直接的表現(xiàn)。是三場耦合計算模型中揭示路基病害機理的關(guān)鍵，也是凍土路基抗凍害設(shè)計的一個前提。 但由于影響因素眾多，物理過程復雜。需要做如下簡化： 應力場假設(shè)： 1、路基為各向均質(zhì)同性。 2、土體中土顆粒與冰顆粒不可壓縮，土體為線彈性本構(gòu)。 3、路基土體只受重力和熱膨脹力作用。應力場 控制方程 D:彈性矩陣 a：熱膨脹系數(shù) T：溫度 根據(jù)后面的

4、計算土體在未凍結(jié)的情況下溫度變化的膨脹很小，約有零點幾毫米。 所以，主要考慮的還是相變引起的熱膨脹 DDDT 介紹幾個模型 在多孔介質(zhì)中，水熱耦合作用下，土中水分的遷移和溫度場的分布模型。 選取矩形二維土箱溫度引起的滲流場流動流速場溫度場水分遷移模型建立 COMSOL建模過程 首先，選擇維度 其次，選擇合適的物理場模型建立第三步，選擇求解方式瞬變含有時間關(guān)聯(lián)項T穩(wěn)態(tài)不含有時間關(guān)聯(lián)項模型建立 第四步，對全局參數(shù)進行設(shè)置凍土路基熱-力耦合模型 熱力耦合模型 目前沒有考慮相變和水分場的影響，土體目前采用各向均勻同質(zhì)。 模型建立路基矩形與梯形相結(jié)合的幾何模型。長75米，深10米，路基高5米。凍土路基溫

5、度場 溫度場控制方程，參考時間項控制方程。邊界條件 根據(jù)前面對邊界條件的介紹，定溫邊界。 賴遠明院士給出根據(jù)年平均氣溫擬合的正弦函數(shù)溫度公式 根據(jù)長春地區(qū)年平均氣溫， T0取-5.4度，即全年的平均氣溫。 g（t）為逐年升溫函數(shù)，通常去0.022度，單位為年 A取11.5度，即測量當日氣溫。選取8月20日為基準日，其中t的單位為旬，即10天。0025(t) T(t) Asin(t)369Tg溫度擬合值擬合溫度值擬合溫度曲線溫度場邊界條件 單位的轉(zhuǎn)化。COMSOL單位是S,需要對單位進行轉(zhuǎn)換，并改寫成COMSOL格式。應力場模型 本構(gòu)關(guān)系選取彈性本構(gòu)。邊界條件三邊固定邊界、頂部自由邊界。初值：考

6、慮重力影響。求解 計算步長 由于已旬為單位。 總計計算一年，總計36旬 每一旬輸出一個結(jié)果。 計算了2年計算結(jié)果溫度場變化溫度場變化曲線路基中心點，溫度變化曲線應變曲線應變曲線應變曲線路基頂面中心點應變曲線小結(jié) 由于沒有考慮相變的影響，路基考慮為彈性本構(gòu)。 所以，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)很好的線性曲線。但，不考慮相變的影響， 土體的溫度熱膨脹應變不大。 下一步工作 在模型中加入水分場并加入相變變化。 把模型更加細化，路基土層分層建立，設(shè)置不同材料參數(shù)。 結(jié)合前期觀察的凍土數(shù)據(jù)進行比較。 模型建立完成后，也可以考慮在模型上加載汽車動荷載。冰水相變模型選取一個冰柱伴隨相變的溫度變化曲線會進一步把相變?nèi)谌氲侥Ｐ椭谢娱_挖COMSOL優(yōu)