【摘要】：凍脹機理及其與工程結(jié)構(gòu)相互作用研究一直是凍土界研究的熱點和難點。目前,凍脹相關(guān)的理論分析和試驗研究大多針對于不同凍脹敏感性土體在不同溫度、應(yīng)力等邊界條件下的一維凍結(jié)問題,而凍土區(qū)實際工程中存在大量的二維凍結(jié)凍脹問題。二維凍結(jié)條件下土體凍脹發(fā)生機理、凍脹力分布性狀及其與支護結(jié)構(gòu)耦合作用機制與一維凍結(jié)截然不同。由于凍土物理力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性和工程約束環(huán)境的多樣性,以一維凍結(jié)條件建立的相關(guān)理論和研究成果在解釋實際工程復(fù)雜凍脹現(xiàn)象時具有明顯的局限性�？紤]工程實際條件,開展二維凍結(jié)凍脹機理及其與工程結(jié)構(gòu)間耦合演化行為研究,對凍土區(qū)工程建設(shè)具有重要意義和科學(xué)價值。本文以凍土區(qū)工程涉及的二維凍結(jié)問題為背景,通過理論分析、室內(nèi)試樣試驗和物理相似模擬試驗的方法,針對飽和細顆粒土二維凍結(jié)凍脹機理、特征及其與工程結(jié)構(gòu)的耦合行為開展系統(tǒng)研究:研制出集控溫和約束雙重功能的凍土二維凍結(jié)凍脹可視化試驗系統(tǒng);開展了系列飽和細粒土二維凍結(jié)凍脹試驗;開展了深季節(jié)凍土區(qū)深基坑二維凍結(jié)凍脹模擬試驗;揭示了飽和細粒土二維凍結(jié)分凝冰生長和演化機制;得到基坑支護結(jié)構(gòu)二維凍結(jié)過程中凍脹力分布特征;建立了凍土二維凍結(jié)水-熱-力耦合分離冰凍脹理論模型。主要研究成果如下:(1)創(chuàng)新研制出溫度和約束邊界耦合控制的凍土二維可視化凍結(jié)試驗系統(tǒng)。系統(tǒng)溫度控制精度±0.1℃,最低工作溫度-40℃,可以實現(xiàn)雙向溫度、應(yīng)力/位移邊界獨立控制,凍結(jié)過程實時數(shù)字照相,通過與圖像分析和CT掃描技術(shù),實現(xiàn)了凍土二維凍結(jié)凍脹分凝冰演化規(guī)律和分布特征的可視化精確量測。(2)進行了系列飽和細粒土二維凍結(jié)凍脹試驗研究。獲得了不同凍結(jié)溫度兩種典型飽和細粒土的二維凍結(jié)過程中溫度場、水分場和變形場的變化規(guī)律,從宏、細觀角度揭示了飽和細粒土二維凍脹分凝冰的形成過程、生長速率和分布性狀,初步闡釋了側(cè)向約束條件下飽和顆粒土的二維凍脹機理。(3)建立了土體二維水-熱-力耦合分離冰凍脹理論模型。在已建立的一維分離冰凍脹模型基礎(chǔ)上,將分離壓力的概念拓展到了二維情形,分析了二維凍結(jié)過程中的冰晶體的形成準(zhǔn)則,初步建立了二維分離冰凍脹模型的基本理論,該理論模型能夠揭示二維凍結(jié)過程中的水-熱-力耦合并預(yù)測冰透鏡體的發(fā)育�；贛atlab平臺,編制了二維凍結(jié)過程程序,針對某正方形區(qū)域的二維凍結(jié)過程進行了數(shù)值計算,分析了二維凍結(jié)過程中溫度場、等效水壓力場和位移場的變化規(guī)律。(4)開展了凍土區(qū)深基坑工程二維凍結(jié)相似模擬試驗。以典型凍土區(qū)基坑工程為背景,試驗獲得了不同凍結(jié)溫度和工程約束模式的二維凍結(jié)溫度梯度、水分遷移和應(yīng)力場的分布狀態(tài),分析了二維凍結(jié)條件下基坑樁錨支護和地連墻支護兩種支護體系凍脹力大小、分布及隨時間的發(fā)展規(guī)律。(5)綜合理論模型、室內(nèi)試驗和物理模擬試驗結(jié)果,分析了飽和細粒土二維凍結(jié)溫度場演化、水分重分布及其與工程環(huán)境間的耦合特征和非線性演化行為,初步揭示了飽和細粒土二維凍結(jié)特性和內(nèi)在物理機制。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TU445
【圖文】：

1 緒論論troduction題的提出（Statement of Problem）國是世界上第三凍土大國，其中季節(jié)性凍土分布面積 513.7 萬平國土面積 53.5%；多年凍土分布面積 206.8 萬平方公里，占我國國%，兩者合計約占我國國土總面積的 75%[1]。如圖 1-1 所示，我國布于長江流域以北的廣闊區(qū)域，季節(jié)凍結(jié)深度在黑龍江省南部、內(nèi)地區(qū)可超過 3 米。我國多年凍土主要分布在東北大小興安嶺和青藏東北地區(qū)多年凍土位于歐亞大陸南緣，為高緯度凍土區(qū)；青藏高原球唯一的高海拔、集中連片分布，平均海拔超過 4000 米。

用關(guān)系：凍結(jié)時水相變成冰釋放大量潛熱，對于飽和的細顆粒凍結(jié)區(qū)遷移，從而引起土體溫度場和水分場的重分布；溫度場著土體凍結(jié)狀態(tài)，水結(jié)冰膨脹進而引起應(yīng)力和位移場變化；應(yīng)反之也必將導(dǎo)致土體水分場和溫度場再變化。因此建立科學(xué)合脹模型，是深入認識土體凍脹規(guī)律，開展凍脹控制理論與工程關(guān)鍵[12,13]。凍脹相關(guān)的理論分析和試驗研究大多針對于不同土性在不同溫一維凍結(jié)問題，而考慮多年或季節(jié)性凍土區(qū)基坑、邊坡、道路條件，不難發(fā)現(xiàn)，其中存在大量的土體雙向凍結(jié)，即二維凍結(jié)示，簡要描述了季節(jié)性凍土區(qū)越冬基坑工程的凍結(jié)條件，以往護結(jié)構(gòu)的開挖面或地面考慮為一維凍結(jié)條件是合理的，但對于鄰近土體而言是典型的雙向凍結(jié)過程（對外界熱交換包括基坑面），與單向熱交換不同，二維凍結(jié)條件下土體凍脹機理、凍與支護結(jié)構(gòu)相互作用機制必然發(fā)生變化，不考慮土體凍脹影響結(jié)凍脹成果勢必給實際工程安全埋下隱患。

(c)凍土區(qū)路基水溝凍脹縱向開裂[15](d)某渠道坡面因凍脹整體下滑[16]圖 1-3 實際工程二維凍脹病害示例Figure 1-3 Examples of 2-D frost heave damage in practical engineering本文即以此為出發(fā)點，針對二維條件下土體凍結(jié)凍脹特性開展系統(tǒng)的室內(nèi)試驗和理論分析研究，以期在現(xiàn)有一維凍結(jié)研究基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)試樣和相似模擬試驗研究不同土性、溫度和載荷邊界條件下飽和凍土二維凍脹分凝冰生長、分布性狀及水分遷移規(guī)律，研究不同水分補給和約束特性等工程條件下支護結(jié)構(gòu)所受二維凍脹力大小及分布特征，建立二維水熱力耦合分離冰凍脹模型，為凍土區(qū)工程建設(shè)安全提供保證。研究成果對于指導(dǎo)凍土區(qū)實際工程的設(shè)計、施工、維護和治理具有重要的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（Research Status at Home and Abroad）1.3.1 凍脹理論模型研究為解決實際工程中的凍脹問題，國內(nèi)外學(xué)者先后提出了水熱耦合模型、分凝勢模型、水熱力耦合模型等凍脹理論模型[17]。[18]

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1 賈青,梁景江,李國忠;允許建筑物凍脹變形時法向凍脹力的衰減[J];黑龍江水利科技;2001年04期

2 隨鐵齡;;作用在建筑物上的凍脹力——渠系水工建筑物抗凍技術(shù)知識講座[J];水利天地;1988年02期

3 蘇彥;凍脹力的成因及墩臺凍害整治[J];鐵道建筑;1989年02期

4 周有才;;兩種基礎(chǔ)防凍害效果的對比[J];低溫建筑技術(shù);1989年01期

5 劉鴻緒;;凍脹量與凍脹力關(guān)系分析[J];低溫建筑技術(shù);1982年01期

6 郭海龍;李東文;郭明洙;;土的凍脹機理研究[J];低溫建筑技術(shù);2017年10期

7 陳軍浩;張世銀;;不同外邊界條件下凍結(jié)黏土凍脹力試驗研究[J];福建工程學(xué)院學(xué)報;2015年04期

8 于清楊;張超;劉晨;;寒區(qū)隧道凍脹力影響因素相關(guān)程度分析[J];路基工程;2019年01期

9 單仁亮;白瑤;孫鵬飛;吳永鑫;隋順猛;原鴻鵠;;裂隙紅砂巖凍脹力特性試驗研究[J];煤炭學(xué)報;2019年06期

10 李學(xué)生;;“U”型渠道凍脹力力學(xué)計算研究[J];陜西水利;2019年06期

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1 陳磊;魏松;何家明;董閣;;不同結(jié)構(gòu)型式寒區(qū)路基過水涵洞結(jié)構(gòu)分析[A];《工業(yè)建筑》2018年全國學(xué)術(shù)年會論文集（中冊）[C];2018年

2 賴遠明;朱元林;吳紫汪;;樁基凍脹力三維問題的積分方程解法[A];第七屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議論文集（第Ⅲ卷）[C];1998年

3 胡熠;康景文;陳云;;一種隧道襯砌凍脹變形特征模型試驗方法[A];2015年全國工程地質(zhì)學(xué)術(shù)年會論文集[C];2015年

4 白國權(quán);仇文革;;凍土隧道凍脹力矢量分析研究[A];中國土木工程學(xué)會第十五屆年會暨隧道及地下工程分會第十七屆年會論文集[C];2012年

5 余占奎;;人工凍結(jié)施工過程技術(shù)分析[A];2010城市軌道交通關(guān)鍵技術(shù)論壇論文集[C];2010年

6 李巖;;某隧道凍害原因分析及治理措施研究[A];高寒地區(qū)高速鐵路技術(shù)研討會論文集[C];2017年

7 黃興根;薛利兵;孟令新;;鄆城煤礦副井凍脹力監(jiān)測及其在凍結(jié)施工中的應(yīng)用[A];第四屆全國煤炭工業(yè)生產(chǎn)一線青年技術(shù)創(chuàng)新文集[C];2009年

8 林永亮;李新星;張波;;雙向錨固巖石邊坡抗滑穩(wěn)定性擬靜力分析[A];《地下空間與工程學(xué)報》vol.9 No.5[C];2013年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前8條

1 李亭;飽和細粒土二維凍結(jié)凍脹試驗與理論研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2019年

2 王青志;寒區(qū)高鐵路基粗顆粒填料凍脹變形與強度研究[D];北京交通大學(xué);2017年

3 趙安平;季凍區(qū)路基土凍脹的微觀機理研究[D];吉林大學(xué);2008年

4 耿琳;土的凍脹力學(xué)模型及凍脹變形數(shù)值模擬[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

5 王斌;U形渠道襯砌防凍機理與數(shù)值模擬研究[D];寧夏大學(xué);2017年

6 胡熠;多場耦合條件下高海拔寒區(qū)隧道溫度場及安全性評價研究[D];西南交通大學(xué);2014年

7 馮強;季節(jié)性寒區(qū)隧道圍巖溫度場與變形特性研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2014年

8 王偉;水平力作用下巖土工程結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法研究[D];吉林大學(xué);2015年

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1 李曉芳;基于隨機介質(zhì)理論的隧道凍結(jié)期地層三維凍脹預(yù)測模型[D];安徽理工大學(xué);2018年

2 李彥明;回頭溝隧道圍巖凍脹力試驗研究[D];吉林大學(xué);2018年

3 潘鑫;板縫對U形砼襯砌渠道凍脹響應(yīng)與襯砌板結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D];寧夏大學(xué);2018年

4 宋益明;水泥改良粉質(zhì)粘土凍脹融沉特性研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2018年

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6 張仁澤;基坑凍脹對樁錨支護結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬分析[D];沈陽建筑大學(xué);2017年

7 張金龍;不同角度單裂隙類巖石強度及蠕變性能研究[D];青島科技大學(xué);2018年

8 褚旭陽;哈爾濱地鐵3號線兆麟公園站圍護結(jié)構(gòu)與基坑凍脹分析[D];北京交通大學(xué);2018年

9 夏明;寒區(qū)隧道溫度場數(shù)值分析研究[D];安徽理工大學(xué);2018年

10 褚滿帥;神朔重載鐵路低液限粉土填料室內(nèi)凍脹特性及抗凍措施研究[D];北京交通大學(xué);2017年

本文編號：2808094