我國多年凍土地區(qū)與季節(jié)性凍土地區(qū)面積約占我國國土面積的75%,土壤的凍脹、融沉是凍土地區(qū)建設(shè)發(fā)生凍災(zāi)的主要原因。為防止凍土凍脹、融沉破壞交通道路、建筑物等設(shè)施,需對土壤凍融過程中病害機理進(jìn)行研究。目前,有關(guān)土壤凍脹微觀特性研究并不充分,相關(guān)的數(shù)學(xué)模型,多采用基于離散宏觀連續(xù)方程的連續(xù)介質(zhì)模型,難以處理非穩(wěn)態(tài)微觀結(jié)構(gòu)對凍脹程度的影響。因此本文采用熱固耦合方法,研究土壤顆粒級配對凍脹程度的影響,主要包括以下方向的工作:搭建室內(nèi)凍土凍脹實驗臺,采集凍土凍結(jié)過程中溫度、位移、含水量等參數(shù)數(shù)據(jù)。改變凍土上表面溫度,研究分析在不同上表面溫度條件下的各參數(shù)變化規(guī)律,進(jìn)而得出上表面溫度變化對凍土凍脹程度的影響。實驗結(jié)果表明:在凍結(jié)過程中,凍結(jié)區(qū)含水率與水勢發(fā)生了顯著的下降,分別下降了68.9%和136.1k Pa。上表面溫度越低,凍土含水率與水勢變化越迅速。當(dāng)上層土壤處于凍結(jié)狀態(tài)時,未凍結(jié)區(qū)域土壤含水率發(fā)生了很微弱的降低現(xiàn)象,水分向凍結(jié)緣處發(fā)生了遷移。凍脹量主要來自于表層土壤孔隙水的相變膨脹,凍土上表面溫度越低,凍結(jié)速率越快,凍脹量變化越明顯,但當(dāng)表層土壤完全凍結(jié)時,其最大凍脹量相同,為2.19mm,凍脹率為1.83%。耦合方法分析問題強調(diào)的是:完全的單場問題是不存在的,各種物理現(xiàn)象之間都存在著各種各樣的相互關(guān)聯(lián)作用。因此,基于實驗研究結(jié)果,利用間接耦合方法,將土壤凍脹過程分為熱傳導(dǎo)以及孔隙水膨脹過程。建立了由非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程、瞬態(tài)動力學(xué)基本運動方程控制的土壤凍脹數(shù)學(xué)模型。采用土壤結(jié)構(gòu)重整的Matlab程序,建立土壤顆粒幾何模型。模型驗證結(jié)果表明,土壤模型凍結(jié)過程內(nèi)部溫度變化規(guī)律符合非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程,最大凍脹量為1.74?10-2mm,凍脹率為2.12%。模擬凍脹率與實驗結(jié)果的相對誤差較小(約為15.8%),從而驗證了數(shù)值模型的有效性。對凍結(jié)過程土壤內(nèi)部溫度、顆粒位移變化進(jìn)行數(shù)值模擬研究,分析顆粒半徑、顆粒級配大小及土壤上表面溫度對凍土凍脹程度的影響。模擬結(jié)果表明:顆粒半徑較大或顆粒級配較小的土壤,其體積分?jǐn)?shù)較大。在凍結(jié)過程中,由于顆粒整體溫度變化小,土壤顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加使得土壤降溫速率減慢,內(nèi)部溫度梯度增大。體積分?jǐn)?shù)減小時,土壤孔隙率增大,當(dāng)孔隙水全部發(fā)生相變凝結(jié)時,土壤凍脹量增大,顆粒位移值增大。在凍結(jié)過程中,土壤上表面溫度減小時,土壤凍結(jié)速率加快,溫度梯度減小。因此,增大土壤顆粒半徑、上表面溫度或減小土壤顆粒級配大小,有利于延緩凍脹現(xiàn)象的發(fā)生,降低凍脹程度。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TU445
【部分圖文】：

圖 2-1 凍土凍脹實驗臺系統(tǒng)圖部分為凍土試樣盛裝系統(tǒng)，包括亞克力裝樣桶以及采、布置溫度、水勢傳感器。土壤上、下表面的溫度控自動控溫進(jìn)行一次控溫、用溫控開關(guān)控制上、下表面

圖 2-2 凍土凍脹實驗臺實物圖土試樣盛裝系統(tǒng)樣器、裝樣桶由亞克力玻璃材質(zhì)制造。土壤采樣器結(jié)構(gòu)圖如圖 2-3部用來盛裝實驗凍土試樣，布置 5TE 傳感器，其一側(cè)設(shè)有滑槽，

凍土采樣器結(jié)構(gòu)圖

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2818555