基於孔隙尺度的非飽和土蒸發機理研究

《基於孔隙尺度的非飽和土蒸發機理研究》是依託中南大學，由滕繼東擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於孔隙尺度的非飽和土蒸發機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：滕繼東
• 依託單位：中南大學

項目摘要

土中水分蒸發是許多工程病害的重要誘因，但岩土領域圍繞非飽和土蒸發的研究很少，其計算方法處於經驗模型階段。鑒於巨觀尺度模型參數的不確定性，本項目針對孔隙尺度的非飽和土蒸發機理及其計算方法，擬採用室內試驗、理論建模與數值解析相結合進行系統研究。首先結合微細觀觀測技術進行不同粒徑的玻璃微珠、砂土和粉土的蒸發試驗研究，定義表征蒸發過程轉折點的土性參數，明確第二階段蒸發下降規律和控制參數；然後進行玻璃微珠在不同濃度、種類鹽溶液下的細觀蒸發試驗研究，探明鹽晶析出及溶質吸力對蒸發的影響規律；基於試驗成果和多孔介質理論，建立非飽和土蒸發的孔隙尺度模型，實現數值解析，探索蒸發速率與基質吸力、含水率、顆粒粒徑的定量關係；進而通過建立細觀和巨觀參量的聯繫，提出考慮溶質因素、物理意義明確的蒸發計算方法。研究成果可為岩土、農業和環境領域在控制或計算土的蒸發問題上提供科學依據，具有重要的理論價值和實際意義。

結題摘要

土中水氣相變是許多工程病害的重要誘因，但岩土領域圍繞非飽和土水氣相變的研究很少，其理論方法處於經驗模型階段。為揭示非飽和土蒸發機理，基於指數形式非飽和土水特徵曲線和滲透係數模型，提出了考慮任意初始狀態含水率分布的非飽和土蒸發計算模型。模型揭示了瞬態蒸發速率和非飽和土水分重分布變化規律，建立了蒸發速率與基質吸力、含水率、顆粒粒徑的定量關係。基於開發的氣候控制蒸發試驗系統，展開系列室內試驗，驗證了所提蒸發模型的有效性。本項目重點研究了非飽和凍土水氣遷移與相變誘發“鍋蓋效應”的機制，闡釋了“鍋蓋效應”的機理、影響因素及研究意義，建立了綜合考慮水氣3個相變過程的非飽和凍土水熱氣耦合遷移的數學模型，數值再現了“鍋蓋效應”的發生髮展及致災過程。另外本項目提出了“鍋蓋效應”的新的系列試驗裝置及方法, 闡釋了“鍋蓋效應”區別於傳統凍害的特點：a. 凍結，相同；b. 水源：從凍結相反方向提供水源，不同；c. 土性：砂土及粗粒土不凍脹，粘土難凍脹，粉土最易凍脹，不同；d. 凍脹往往引起破壞性更強的融沉，不同。揭示了初始含水率、土性、乾密度、邊界溫度、補水條件、試驗周期等對“鍋蓋效應”的影響規律。