نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی

نشریه ژئومکانیک و ژئوانرژی

یک مدل جدید حرارتی-هیدرولیکی-مکانیکی در خاک‌های تغییرشکل‌پذیر غیراشباع

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده عمران، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
2 دانشکده عمران دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
چکیده
درک جامع ویژگی‌های نگهداری آب، اندرکنش‌های هیدرومکانیکی و رفتار وابسته به دمای خاکِ پیرامون، برای در طیف وسیعی از کاربردهای مهندسی ژئوانرژی، از جمله دفع زمین‌شناختی عمیق پسماندهای هسته‌ای، سازه‌های زمین‌گرمایی، حفاری نفت و گاز و روش‌های بهسازی حرارتی خاک ضروری است. اگرچه مطالعات متعددی تأثیر دما بر رفتار خاک را بررسی کرده‌اند، اما پاسخ خاک‌های غیراشباع به تغییرات حرارتی به دلیل هم‌بستگی شدید میان فرآیندهای حرارتی، هیدرولیکی و مکانیکی، همچنان بسیار پیچیده است. بنابراین، دستیابی به درکی جامع‌تر از این سازوکار تنیده مورد نیاز است. در این مطالعه، یک مدل رفتاری ترمو-هیدرو-مکانیکی برای پیش‌بینی رفتار خاک‌های رسی غیراشباع در شرایط دمایی متغیر توسعه یافته است. مدل پیشنهادی مبتنی بر چارچوب رفتاری ارائه‌شده توسط نویسنده اول است و برای لحاظ کردن اثرات وابسته به دما توسعه یافته است. این مدل قادر است تأثیر توأم دما بر پاسخ تنش-کرنش و رفتار هیدرولیکی خاک‌های غیراشباع را در نظر بگیرد. فرمول‌بندی پلاستیسیته مبتنی بر سطوح «زیربارگذاری» و «سطوح مرزی» با وارد کردن دما به عنوان یک متغیر حالت اضافی بازنگری شده است که امکان شبیه‌سازی پاسخ‌های ترمومکانیکی و ترموهیدرولیکی را فراهم می‌سازد. رفتار تنیده ترمو-هیدرو-مکانیکی متعاقباً از طریق قوانین سخت‌شوندگی مناسب توصیف می‌شود. فرمول‌بندی پیشنهادی، تغییرات ناشی از دما در منحنی‌های مرزی هیدرولیکی را در نظر می‌گیرد و امکان بررسی کرنش‌های پلاستیک حرارتی و تأثیر آن‌ها بر پاسخ مکانیکی خاک‌های با عادی تحکیم یافته و پیش‌تحکیم‌یافته را فراهم می‌آورد. علاوه بر این، مدل اثرات توأم دما و مکش ماتریس را لحاظ می‌کند و بدین ترتیب چارچوبی برای شبیه‌سازی پاسخ ترموهیدرولیکی خاک‌های غیراشباع ارائه می‌دهد. در نهایت، توانایی پیش‌بینی مدل پیشنهادی با نتایج آزمایشگاهی حاصل از آزمایش‌های سه‌محوری اصلاح‌شده که بر روی خاک‌های غیراشباع در شرایط دمایی مختلف انجام شده‌اند، ارزیابی شده است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

A New Thermo-Hydro-Mechanical Model in Unsaturated Deformable Soils

نویسندگان English

Hasan Ghasemzadeh 1
Zahra Mohammady 2
1 Faculty of Civil Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
2 Faculty of Civil Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

The need to understand the thermal response of soils arises in a wide range of geoenergy engineering applications, including deep geological disposal of nuclear waste, geothermal structures, oil and gas drilling, and thermal ground improvement techniques. Although numerous studies have investigated the influence of temperature on soil behavior, the response of unsaturated soils to thermal changes remains highly complex due to the strong coupling among thermal, hydraulic, and mechanical processes. Therefore, a more comprehensive understanding of these coupled mechanisms is required. In this study, a thermo-hydro-mechanical constitutive model is developed to predict the behavior of unsaturated clay soils under varying temperature conditions. The proposed model is based on the constitutive framework developed by the first author and is extended to incorporate temperature-dependent effects. The model is capable of capturing the coupled influence of temperature on both the stress–strain response and hydraulic behavior of unsaturated soils. The plasticity based on subloading and bounding surfaces is reformulated by incorporating temperature as an additional state variable, enabling the simulation of thermo-mechanical and thermo-hydraulic responses, respectively. The coupled thermo-hydro-mechanical behavior is subsequently described through appropriate hardening laws. The proposed formulation accounts for temperature-induced changes in the hydraulic boundary curves and enables the investigation of thermal plastic strains and their influence on the mechanical response of both normally consolidated and over consolidated soils. In addition, the model considers the coupled effects of temperature and matric suction, thereby providing a framework for simulating the thermo-hydraulic response of unsaturated soils. Finally, the predictive capability of the proposed model is evaluated against experimental results obtained from modified triaxial tests conducted on unsaturated soils under different thermal conditions.

کلیدواژه‌ها English

Soil
Heat
Geoenergy
Geomechanics
THM Modeling
Unsaturated soil