可降解土體BCHM耦合模型研究.pdf

1、可降解土體是指土體中的固相顆粒會在外部環(huán)境作用下會出現(xiàn)質量損失、顆粒破碎的現(xiàn)象，引起孔隙率和顆粒組構的變化，進而導致主體的土工特性及參數(shù)改變。常見的可降解土體有填埋場中高有機質含量的城市固廢、土石壩中可侵蝕顆粒以及農田中石灰性土壤等?？山到庵黧w的可降解特性導致其在多場耦合問題中變得尤為復雜。以填埋場為例，與普通土工構筑物中的多場耦合相比，填埋場還需要考慮生化降解對多場耦合的影響，主要體現(xiàn)在兩方面:(1)由于固廢中可降解有機質降解的影響，

2、固廢的土工特性會隨著降解程度不同而變化;(2)由于降解產生的水、氣、液相溶質等物質也會作為源相參加到水氣運移和溶質遷移等運動中。基于此，本文在原有的多場耦合研究基礎上，重點研究了多組分氣體運移過程，以及降解過程對于模型參數(shù)的影響，主要內容和研究成果包括:
　　(1)基于填埋場中氣體涉及生化反應的情況，本文建立了考慮多組分氣體運移的氣相運移控制方程，并基于前人對多場耦合中其他過程的研究，給出了可降解土體的生化降解-骨架變形-水氣運移

3、-溶質遷移(BCHM)多場耦合模型，并界定了模型中涉及的土工特性及參數(shù);
　　(2)基于已有的顆粒級配曲線描述函數(shù)，本文從顆粒組構以及孔隙比出發(fā)，建立了固有滲透系數(shù)、相對液相/氣相滲透系數(shù)、體相擴散/液相溶質擴散系數(shù)、努森擴散系數(shù)以及應力應變關系與顆粒級配曲線和孔隙比之間的關系，并對已有的土水特征曲線與顆粒級配曲線和孔隙比的關系進行了改進。通過改變顆粒級配曲線描述函數(shù)中的特征參數(shù)得到不同降解程度下的顆粒級配曲線，進而得到不同降解程

4、度下的土工特性及參數(shù)。利用該預測模型，本文首先對不同降解模式下的各個土工參數(shù)的變化規(guī)律進行的分析。同時，以某填埋場為例，對不同齡期固廢的土水特征曲線、固有滲透系數(shù)、相對液相/氣相滲透系數(shù)進行了預測，并與試驗實測結果比對，結果顯示土水特征曲線、相對液相/氣相滲透系數(shù)的預測結果與試驗結果較為接近，固有滲透系數(shù)預測結果偏大于試驗結果。
　　(3)基于可降解土體多場耦合模型和可降解主體土工特性及參數(shù)預測方法，建立了可降解土體多場耦合模型，

5、并給出了求解方法。以典型中國城市固廢為研究對象，采用可降解土體多場耦合模型，利用數(shù)值分析軟件OpenGeoSys和Matlab，分別研究了降解速率、土工特性及參數(shù)隨降解變化以及初始狀態(tài)對填埋體的影響。計算結果表明，生化降解速率越快，沉降發(fā)展、氣體逸出速率和滲濾液下滲速率越快;若不考慮降解過程對應力應變關系的影響，會導致預測的沉降量小，飽和度偏低;若不考慮降解對主水特征曲線的影響，會低估固廢的降解程度;若不考慮降解過程對固有滲透系數(shù)的影響

6、，會低估固廢的飽和度。初始孔隙比越小，初始基質吸力越小，固廢降解速率越快。
　　(4)為研究填埋場覆蓋層氣相污染物遷移規(guī)律，將本文多場耦合模型中的生化降解、骨架變形、孔隙水運移以及溶質遷移等過程忽略，退化至多組分氣體運移模型。利用該模型分析了不同有效二元擴散系數(shù)、不同頂部邊界下達到穩(wěn)態(tài)時覆蓋層氣體組分分布。結果表明，穩(wěn)態(tài)下各組分氣體分布形式與有效氣體二元擴散系數(shù)和頂部邊界氣體組分密切相關，對頂部邊界氣壓大小不敏感。為研究考慮固結下