基于水-热-力耦合的季节性冻土地区粘性土冻胀试验研究

1、作者：江湖笑笑生目 录1.绪论11.1选题背景11.2国内外研究现状11.2.1国外研究水平综述11.2.2国内研究水平综述21.3课题研究的意义和必要性51.4不确定性信息处理的研究方法61.4.1灰色系统理论研究方法61.4.2粗糙集理论研究方法102本文的主要研究内容、技术路线123研究区土样冻胀试验143.1研究区路基土季节冻胀的概况143.2室内冻胀试验概况153.2.1室内冻胀试验正交表153.2.2试验土样的基本物理性质163.2.3冻胀试验仪器设备163.2.4试验方法173.3室内冻胀试验结果183.3.1室内试验结果183.4冻土地区桩基混凝土性能要求203.5高原冻土区桩基混凝土配制质量控制要求234结论及建议254.1建议254.2创新点265.结论261.绪论为了防治季节性冻土区由水-热-力相互作用引起的道路病害，对季节性冻土水-热-力耦合问题进行了研究。根据季节性冻土的特点，重点考虑了基质势和压力势与温度的关系，给出了季节性冻土水-热-力三场耦合的数学模型，并将耦合问题归结为求解一个非线性、非稳态温度场微分方程，含水量、应力及蠕变变形都可以在温度求解以后算出

2、。详细推导了该方程的数值解法，包括有限元方程、时间域离散及迭代方法。最后对国道G109橡皮山段季节性冻土区公路路堤进行了数值模拟，对计算值与实测值做了对比。结果表明：采用水泥加固砂砾垫层的对比断面与采用砂砾垫层的原断面相比，其温度更低，含水量及预测的路面变形量更小。1.1选题背景季节性冻土是由土颗粒、水、冰和空气组成的四相体系，其水分迁移、温度分布、应力变化互相联系，互相制约。这种水-热-力相互作用的过程导致中国寒区工程出现各种冻土病害，为了解决这些工程问题，必须深入研究水-热-力的相互关系以寻求解决之道。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究水平综述从冻土理论的发展历史来讲，水-热-力耦合问题一直是冻土学中一个难题，各国学者提出过不同的模型。Harlan根据未冻水动力学原理和能量守恒原理建立水-热耦合模型，方程具有明确的物理意义。Taylor等在Harlan模型的基础上对模型进行了改进，通过隐式有限差分法计算了水分场和温度场，并与试验数据进行了对比。Onel等研究了冻土中冰透镜体的形成和生长，提出和发展了“刚性冰”模型。Guyom等研究了冻土工程或冻土试验的冻胀效应，分析了其形成机理

3、并提出了建设性的处理意见。Mu等考虑了冻土中的应力与水-热过程的相互作用，提出了简化的耦合方程组，建立了水-热-力三场耦合模型。中国学者苗天德等提出了正冻土中水热迁移问题的混合物理论模型，从数学物理方程角度研究了冻土中水热迁移的物理过程，由于模型复杂，需要特殊的数学方法才能求解。陈飞熊等给出了全面考虑饱和土和非饱和土水-热-力相互作用的数学表达，推动了冻土耦合理论的发展，但是求解依赖于特殊的软件，自编程序求解较为困难。19世纪初，西伯利亚人在寻找和开掘金矿过程中利用寒冷季节挖掘矿井，施工到一定深度时发现土层已不是冻土，伴随出现了渗水、塌陷等现象，这样冬天结束后就停工，等到来年冬天接着开挖。这是人类第一次在工程中利用天然冷量，也是在冻土利用方面迈出的第一步。19世纪50年代，冷冻机的出现为人工冻结技术适用于特殊条件（深基坑、深矿井、高含水量和流砂地层中的地铁、地下隧道和输水管线建筑等）施工开辟了美好前景。1862年，英国南威尔士矿山首次应用人工冻结法加固地层，解决了松软含水地层立井开凿时的塌陷问题；1875年，世界上第一台活塞式制冷机的问世是人工冻结技术被广泛应用的一个里程碑，这台机器选

4、择了液态氨作制冷剂；1883年，德国工程师F.H.Poeh在阿尔巴时德煤矿采用冻结技术进行103m深的立井施工，首次提出了人工冻结法的原理，同时也获得“冻结法凿井技术”专利。1.2.2国内研究水平综述我国早在春秋战国时期就有关于季节性冻土冻结融化的记载，三国时期，古人已采用冻结法施工。但是关于冻土的研究在解放后才有所起步。解放后的十年（1949-1959），东北冻土区地质矿藏调查、林业开发、铁路和公路修建以及工业和民用建筑物等各项生产建设的需要，大大促进了冻土科学研究。1956年辛奎德、任奇甲发表了“中国东北地区多年冻土分布”一文；1957年铁道部根据勘测设计大小兴安岭森林铁路的经验，出版了多年冻土的工程地质和铁路建设（1958）一书；与此同时，中国科学院地理研究所（1953-1954）和北京市政工程设计院（1956）进行了北京市季节冻结深度和道路翻浆观测研究；1954年青藏公路通车，青藏高原冻土问题引起交通、铁道部门的关注；1956年，铁道部开始勘测青藏线，对沿线冻土做初步调查。这段时间为我国冻土研究资料的积累阶段。1960年，中国科学院成立冻土研究组，同铁道部高原铁路研究所一起，开

5、展青藏公路沿线冻土综合考察。1963年，周幼吾等“青藏高原冻土初步考察”一文发表，首次向国内外报道了青藏高原多年冻土的分布特征、温度状况、厚度、组构、地下水及冻土地质地貌现象。1963-1964年，中国科学院开展了唐古拉山南麓西藏土门地区冻土调查研究，并建立了世界上海拔最高（4950m）的冻土长年观测站。1965又在祁连山木里煤矿地区开展冻土和供水条件调查，并建立冻土长年观测站。同年，青藏公路沿线冻土考察论文集出版，对高原冻土分布及分区特征、冰缘地貌、冻土区地下水、冰的结构以及植被进行了系统总结。与此同时，中国科学院和铁道部在大兴安岭牙林铁路沿线开展冻土和工程冻害调查，并对个别严重冻害地段进行观测。1966年，在兰州建成我国第一个有相当规模的冻土低温试验室。这一阶段结合生产实践，积累了大量冻土基本资料，野外工作已应用地球物理勘探方法，并初步开展冻土物理力学和热学性质试验，培养了一批冻土科研人员，为我国冻土研究打下良好基础。60年代中期到70年代中期十年间，中国科学院兰州冰川冻土研究所结合青海热水煤矿、格尔木至拉萨输油管道、南疆铁路等工程，作了大量现场调查和室内外试验、观测和研究工作，并

6、积累了许多科学资料。1975年，兰州冰川冻土沙漠研究所出版冻土一书，介绍冻土知识和我国以往研究成果，1978年，我国参加第三届国际冻土学会议，并交流了论文。80年代到90年代，主要是进行我国冻土分布填图、冻土冻胀、冻土工程、冻土勘察等。主要研究成果包括：对区域冻土特征及其影响因素进行系统总结（1979）；编制青藏公路沿线多年冻土分布图（1982）；编制青藏高原冻土图（1996）；关于天山、祁连山冻土研究包括系统总结了天山地区多年冻土分布发育特征及温度动态（1981）；对祁连山地区多年冻土分布特征（1983）及阿尔泰山冻土（1986）进行了专著论述；有关东北冻土的研究，提出东北大小兴安岭多年冻土分区及特征，编制出东北多年冻土分布图（1981）；总结出大兴安岭多年冻土地温特征（1982）；明确了东北多年冻土南界位置（1993）；1983年提出了1：400万中国冻土分布图的编制原则和方法，明确划出季节冻土和瞬时冻土的分界线；1990年出版了中国冻土一书。这些成果反映出我国30多年来区域冻土研究的进展。此后又有土体冻胀和盐胀机理（徐学祖、王家澄等，1995）、甘肃省河西走廊季节冻结盐渍土及其改

7、良利用（邱国庆，1996）、（XuXiaozuetal.，1999）、多年冻土退化与道路工程（臧恩穆，吴紫汪，1999）等著作出版，以及已编和在编的冻土地区建筑地基基础设计规范、冻土工程地质勘查规范、水工建筑物抗冰冻设计规范及冻土试验方法标准等国家和行业标准的出版和即将出版。目前，我国冻土研究在国际上占有重要地位。近几年在冻土物理、化学、及力学性质研究方面取得重要进展。对冻土中溶质迁移、成冰及冻胀机理提出了一些新的概念；对土冻融过程中热、力及水相互作用数值分析和理论研究取得了新的成果；对土冻融过程中微观结构变化及其特征的研究取得新的进展；对冻土中碳氢水合物形成条件及其基本性质进行深入研究，为寒区地下能源的调查与开采提供科学依据；对冻土流变机制、屈服准则及本构关系提出新的认识；对冻土在应力作用下的微观结构变化、损伤理论及物理蠕变模型的研究有突破性进展；对冻土在动载（振动和冲击）作用下的性能研究有新的进展；提出了预报冻土长期强度的一些新方法（如时间温度比拟法对热力学方法等）；对含盐冻土等特殊土质的物理、化学及力学性质研究取得了一批新成果。在国内，1957年我国著名学者陈宗基教授提出片状颗粒

8、接触形式，并给出了三维网络模型。高国瑞（1979-1980）借助电子显微镜对中国黄土的微观结构与湿陷性关系进行了研究，提出了黄土微观结构十二种类型。王永炎、滕志宏（1982）、张宗钴（1983）等对黄土微观结构也进行了研究，并与黄土的湿陷性关系进行了探讨。王幼麟（1981）对第四纪红土微观结构进行了研究。曲永新等（1977）、陈守义（1980）对软岩微观结构特征与工程性质进行了详细分析。1996年，兰州冻土所王家澄首次利用扫描电子显微镜，研究在温度和压力作用下，冻土冻融过程微观结构的变化、土颗粒位移、团聚和分异，未冻水膜形态和冷生组构等，以及不同受力状态下冻土微裂隙产生和破坏机理，开创冻土微观结构研究先河。施斌，胡瑞林等结合宏观力学参数，利用粘土矿物定向频率分布函数、颗粒、孔隙分维数来定量描述土微观结构几何特征，王清（1997）利用分形几何法研究孔隙分布方向角、定向角和定向分布函数与土体强度的关系。蒋明镜等（1998）研究粘土受剪切作用微观特征变化。王常明（1999）在定量描述海积软土粒度、定向性和孔隙分布等基础上，提出了微观结构因子的概念。齐吉琳、谢定义（2000）利用电镜扫描方法得

9、出孔隙分布曲线，并结合颗粒大小分布曲线定量研究了黄土微观结构。在低温混凝土方面，刘润清等研究了多因素影响下低温混凝土抗冻临界强度的研究，提出了抗冻性能评价方法。朱长华等针对青藏高原多年冻土区严酷的环境特点，提出了适用于该地区高性能混凝土应具备的主要性能参数，并探讨了其制备技术。姬鸿云进行了低温下混凝土力学性能的试验研究。马辉等讨论了影响桩基回冻时间的因素，同时根据研究结果提出了修改规范中桩基混凝土温度指标的建议。张学富等应用伽辽金法推导出了有限元计算公式，并计算出了青藏铁路格尔木至拉萨段涵洞现浇混凝土水化热的影响。刘国玉对高原高寒多年冻土区桥墩及桩基混凝土施工质量控制技术进行了研究。石人俊对青藏高原多年冻土地段灌注桩混凝土进行了研究，结果表明由于混凝土长期处于恒负温下，硬化强度达不到设计等级，混凝土初温和水化热使界面冻土结构破坏，较长时间后，界面冻土才能回复到原始冻结状态。刘润清研究了多因素影响下低温混凝土抗冻临界强度，并研究了掺合料对低温混凝土抗冻临界强度作用的机理。谢剑超进行了低温混凝土降温回温曲线的试验研究，得出混凝土的降温速度随试块体积的增大和内外温差的减小而逐渐降低的结论。王传星进行了低温环境下混凝土性能的试验研究，详细研究了在低温环境下混凝土的强度变化情况。在混凝土水化热方面，向敏等研究了高强混凝土的水化热放热规律，建立了有限元模型进行水泥水化热计算，分析比较给出了水化系数的取值范围。刘劲松等研究基坑开挖并浇注大体积混凝土衬砌时，混凝土水化热对人工冻土墙温度场分布的影响，分析得出了受影响区域内冻土墙被融化及重新冻结的过程。贾晓云等结合青藏铁路格拉段五道梁中桥所采用的钻孔灌注桩基础，对多年冻土区灌注桩混凝土水化热影响进行了分析。唐丽云等研究了水化热对桩基沿径向温度变化规律及影响桩周冻土温度场的时间。张红亚研究了冻结立井井壁混凝土放热性能及水化热的产生机理和理论分析方法。1.3课题研究的意义和必要性以港区棚户区改造项目1号地为依托，借鉴国内外对国内外土体冻融循环后

《基于水-热-力耦合的季节性冻土地区粘性土冻胀试验研究》由会员天***分享，可在线阅读，更多相关《基于水-热-力耦合的季节性冻土地区粘性土冻胀试验研究》请在金锄头文库上搜索。