土壤凍融過程未凍水滯后效應實驗、模型及機理分析研究

發(fā)布時間：2020-08-28 19:31

　　土壤在現(xiàn)代工程中的地位非常重要,而自然環(huán)境中的土壤在低溫環(huán)境下會經(jīng)歷凍結和融化,引起土體內未凍水和冰含量的變化,進而導致土體的力學與熱力學性質發(fā)生變化。同時,土壤作為一種特殊的多孔介質材料,實驗中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律以及理論成果可以推廣至其他種類的多孔介質材料中,具有廣泛的應用與研究價值。首先,進行了未凍水對土體凍結過程影響的解析計算研究。改進了已有的解析解答,證明了解析解中一系列描述等溫線移動的參數(shù)的存在性及唯一性;同時提出了這些參數(shù)的穩(wěn)健的計算流程。計算結果表明,未凍水存在會對溫度場發(fā)展及凍結鋒面移動有重要影響。然后,利用基于核磁共振的未凍水測試系統(tǒng)在不同溫度區(qū)間,對不同含水率的土體進行凍融循環(huán)過程的未凍水含量測試,得到了不同條件下的土壤凍結和融化曲線,分析了未凍水的變化規(guī)律,研究了溫度路徑和初始含水率對土壤未凍水滯后效應的影響。發(fā)現(xiàn)含水率高的土體在凍融過程中存在更高的滯后度,大溫度區(qū)間進行的凍融循環(huán)過程也擁有更高的滯后度。隨后,建立了凍土中未凍水與非飽和土中液態(tài)水的類比理論,結合前人利用土壤干燥曲線預測濕潤曲線的模型,建立了五種由土壤凍結曲線預測融化曲線的實用方法。結合文獻與本文實驗的測試數(shù)據(jù),對不同預測模型的結果進行了分析比較,找出了三種預測結果較好的模型,預測準確度較高,可以用于以后未凍水相關問題的研究。最后,對已有的關于未凍水滯后效應的機理進行了歸納,并提出了各種機理在建立數(shù)學模型時的處理方式。建立了由邊界凍融特性曲線預測子凍融特性曲線的方法。首先,通過邊界凍結特性曲線與實驗數(shù)據(jù)的對比,獲得孔隙概率分布密度函數(shù);然后,通過邊界融化特性曲線與實驗數(shù)據(jù)的對比,獲得凍融差異性因子的分布函數(shù)。之后,便可以進行子凍融特性曲線的預測,相關實驗驗證工作仍在進行。
【學位單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TU445
【部分圖文】：

豎井,工程,方法,豎井施工

要的應用價值。逡逑ＡＧＦ方法廣泛應用于地下工程，尤其是軟土。以豎井施工為例，凍結管垂直逡逑埋在地下，如圖２－１所示，制冷劑在冷凍管道中循環(huán)，導致周圍土壤凍結。當凍逡逑土厚度達到一定水平時，凍結壁的強度足以承受凍土墻外土體的壓力，便可以進逡逑行土體開挖和井壁施工。逡逑１２逡逑

過程圖,連續(xù)相變,階梯型,相變過程

在冷凍區(qū)域，乳和ｒ之間的關系描述的是由式（２－１）給出，而在未凍結區(qū)域，逡逑乳等于初始水含量lM。逡逑獲取以上問題解析解的主要困難是土壤的連續(xù)相變。圖２－２是基于式（２－１）的逡逑土壤凍結特性的連續(xù)曲線示意圖。如圖２－２所示，在求解該問題之前，首先要用逡逑階梯型曲線近似土壤凍結特性的連續(xù)曲線ｆ６４］，從另一個角度來看，這個過程其實逡逑是將土壤近似為多相相變材料。逡逑＾ｐｃｌＯ邋＝＾０邋邐邐邐邐邐￣１邐逡逑＾ｐｃＳ邋邐逡逑‘邋邐丨逡逑‘邐＼邋：逡逑ｅ邋Ｊ邐Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋｜逡逑Ｕ邋ｒｐｃｉ邋ｒｐｃ３邋ＴｖｃＳ邋ｔｐｑ１邋ｔｖｃ９邋＝邋ｔ｛邋ｔ逡逑圖２－２階梯型相變過程與連續(xù)相變過程的近似逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－２邋Ａｐｐｏｘｉｍａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｔｅｐｐｅｄ邋ａｎｄ邋ｓｅｒｉａｌ邋ｐｈａｓｅ邋ｃｈａｎｇｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑假設該相變材料具有Ｎ邋＋邋１個相，對于階梯型曲線的選擇也有很多不同的方逡逑法。用７＾。１，７丨＜；２，．．．，Ｔ＇ｐＫｉＳＭ），表本相變溫度，表不土壤冰點，在每個相逡逑變溫度下，都會有仇／ｉＶ的液態(tài)水產(chǎn)生凍結。逡逑將土壤的連續(xù)相變近似為階梯型相變后，初始問題的控制方程就可以轉化為逡逑另一種形式。使用等溫線了＝７＾＿將ｒ＞０區(qū)域分成若干環(huán)形區(qū)域，截面如圖２－３所逡逑示。在每個環(huán)形區(qū)域中

截面圖,多相,截面圖,階梯型