發(fā)布時間：2018-02-25 17:17

  本文關(guān)鍵詞： 路基填料 凍脹試驗 水-熱耦合 煤矸石 數(shù)值模擬　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：我國是世界凍土大國,季節(jié)性凍土區(qū)分布面積超過全國陸地面積的一半。近年來,我國高速鐵路建設(shè)飛速發(fā)展,高速鐵路軌道的高平順性和高穩(wěn)定性給路基提出了更高要求,而寒區(qū)路基填料凍脹引起的軌道不平順是限制高速鐵路發(fā)展的重要因素之一。同時,我國煤炭資源豐富,大量矸石山對環(huán)境和社會造成巨大影響,對煤矸石進行合理的回收再利用,實現(xiàn)資源的有效合理配置是當(dāng)前的迫切需求。目前,對高鐵路基填料粗粒土凍脹的研究較少,煤矸石在高鐵工程中的應(yīng)用有待推進。據(jù)此,本文進行了不同條件下高鐵路基填料與煤矸石改良高鐵路基填料的單向凍結(jié)試驗,重點分析了土體在凍結(jié)過程中的不同位置處的溫度和水分變化,基于水熱相互耦合作用建立了考慮氣態(tài)水遷移的有限元模型,為實際工程中填料凍脹防治給出參考,主要工作及結(jié)果如下:(1)自行研制了單向凍融循環(huán)試驗系統(tǒng),并在此系統(tǒng)上進行了高鐵路基填料單向凍結(jié)試驗。試驗獲得了不同初始含水率和水分補給條件下土體的溫度、水分變化情況,結(jié)果表明:凍結(jié)過程開始階段,高鐵路基填料中的降溫速率較大,溫度迅速降低;凍結(jié)后填料中幾乎不會形成連續(xù)完整的冰透鏡體,但在粗顆粒表面會有孔隙冰包裹,同時也會發(fā)生明顯的正向水分遷移;土體在補水條件下的凍脹量較封閉條件下大,隨著土體初始含水率的增加最終凍脹量先變大再減小,在某一中間初始含水率時達到最大。(2)完成了煤矸石改良高鐵路基填料單向凍結(jié)試驗,比較了煤矸石改良高鐵路基填料與普通填料在凍結(jié)條件下溫度和水分變化規(guī)律。在凍結(jié)條件下,煤矸石填料中溫度與水分總體變化規(guī)律與普通填料基本一致;但煤矸石改良高鐵路基填料在初期降溫速率較小,最終凍脹量較相應(yīng)工況下普通高鐵路基填料的最終凍脹量稍大。(3)建立了高鐵路基填料凍結(jié)水熱耦合數(shù)值計算模型,并通過試驗結(jié)果驗證了模型的合理性。模型中通過將土體的傳質(zhì)方程、傳熱方程與聯(lián)系方程三者聯(lián)立,實現(xiàn)了凍結(jié)過程的水熱相互耦合,考慮了氣態(tài)水遷移和相變潛熱,較為合理地描述了路基填料的凍結(jié)水熱相互作用;通過對水熱耦合微分方程進行轉(zhuǎn)化,獲得了其所對應(yīng)等效積分“弱”形式,使數(shù)值模型更容易實現(xiàn)收斂。
[Abstract]:China is a large country of frozen earth in the world, and the distribution area of seasonal frozen earth region is more than half of the land area of the whole country. In recent years, the construction of high-speed railway in China has developed rapidly, and the high smoothness and high stability of high-speed railway track have put forward higher requirements for the roadbed. However, the track irregularity caused by frost heaving of roadbed filler in cold region is one of the important factors restricting the development of high-speed railway. At the same time, China is rich in coal resources, and a large number of gangue mountains have a great impact on the environment and society. It is an urgent need to recycle and reuse coal gangue reasonably and realize the effective and reasonable allocation of resources. At present, there are few researches on frost-heaving of coarse grained soil filled with high-speed railway subgrade, and the application of coal gangue in high-speed railway engineering needs to be promoted. In this paper, unidirectional freezing tests of high-speed railway subgrade fillers and coal gangue modified high-speed railway subgrade fillers are carried out under different conditions, and the temperature and moisture changes at different positions of soil during freezing process are emphatically analyzed. Based on the coupling of water and heat, a finite element model considering gaseous water migration is established, which provides a reference for the prevention and treatment of frost heave of fillers in practical engineering. The main work and results are as follows: 1) the unidirectional freeze-thaw cycle test system is developed by ourselves. In this system, unidirectional freezing test of high speed subgrade filler is carried out. The temperature and moisture change of soil under different initial moisture content and water recharge conditions are obtained. The results show that the freezing process begins at the beginning stage. The cooling rate of high speed subgrade filler is large and the temperature is decreasing rapidly. After freezing, there is almost no continuous and complete ice lens in the packing, but there will be pore ice wrapped on the surface of coarse grain, and obvious forward water migration will also occur at the same time. The amount of frost heave of soil under rehydration condition is larger than that under closed condition, and with the increase of initial moisture content of soil, the final frost heave volume increases first and then decreases. The unidirectional freezing test of coal gangue modified high-speed railway subgrade filler was completed when the initial moisture content reached the maximum at a certain intermediate initial moisture content. The variation of temperature and moisture in the coal gangue modified high speed subgrade is compared with that of the ordinary filler under the freezing condition. Under the freezing condition, the general variation law of temperature and moisture in the coal gangue filler is basically the same as that of the ordinary filler. However, the coal gangue modified high-speed railway subgrade filler has lower cooling rate in the initial stage, and the final frost heave volume is slightly larger than that of the ordinary high-speed railway subgrade filler under the corresponding working conditions.) the numerical calculation model of freezing water and heat coupling of the high-speed railway subgrade filler is established. The rationality of the model is verified by the experimental results. In the model, the mass transfer equation, the heat transfer equation and the relation equation are combined to realize the mutual coupling of water and heat in the freezing process, and the gaseous water migration and phase change latent heat are considered in the model. The frozen hydrothermal interaction of subgrade filler is described reasonably, and the equivalent integral "weak" form is obtained by transforming the differential equation of water and heat coupling, which makes the numerical model convergent more easily.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TD849.5

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本文編號：1534450