本文關(guān)鍵詞：季凍區(qū)渠道邊坡水、熱、變形耦合凍脹模型研究

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【摘要】：在季節(jié)性凍土區(qū),水利工程的凍脹破壞問(wèn)題一直是人們關(guān)注的話題。在黑龍江省,隨著旱改水田數(shù)量的巨增,北引干渠凍融破壞問(wèn)題對(duì)農(nóng)業(yè)與工業(yè)生產(chǎn)的影響日顯突出。本文通過(guò)理論分析建立了渠道邊坡水-熱-變形耦合的數(shù)學(xué)模型;通過(guò)室內(nèi)凍脹試驗(yàn)研究,分析了土體含水量和干密度對(duì)土體凍脹的影響規(guī)律,并用統(tǒng)計(jì)軟件SAS進(jìn)行了回歸分析,建立了封閉系統(tǒng)下的凍脹預(yù)報(bào)回歸模型,并通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)M了渠道邊坡的凍融變形特征;最后用多物理場(chǎng)耦合軟件Comsol對(duì)渠道邊坡的水-熱-變形問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,得到以下結(jié)論:(1)土體的凍脹變形受水分和干密度影響較大。當(dāng)含水率為20%~24%,密度為1.50g/cm3~1.60g/cm3時(shí),土體凍脹隨著含水量和干密度的增加而增大,且受含水量的影響較大。(2)渠基土凍融過(guò)程中單向凍結(jié)、雙向融化,符合野外土體凍融過(guò)程。渠基土在凍融過(guò)程中發(fā)生了明顯的水分遷移,臨近渠道表面水分遷移明顯,越接近底板水分遷移量越小,最后幾乎為零。(3)渠基土凍結(jié)過(guò)程中發(fā)生了較大的凍脹變形。在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)溫度下降較快,水分遷移量小或者還沒(méi)有遷移,渠基土發(fā)生了凍縮現(xiàn)象。隨著溫度的繼續(xù)降低,水分不斷向凍結(jié)鋒面遷移并凍結(jié)成冰,土體開(kāi)始凍脹,渠道邊坡不同部位凍脹量不同,凍脹量大小依次為渠底渠頂1/7坡高固腳3/4坡高1/3坡高1/2坡高。溫度開(kāi)始升高后,冰融化成水體積減小,產(chǎn)生融沉,由于產(chǎn)生的凍脹量比融沉量大,產(chǎn)生了殘余變形。(4)用多物理場(chǎng)耦合軟件Comsol進(jìn)行對(duì)渠道進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬的水分場(chǎng)、溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)符合自然規(guī)律,可以用于工程實(shí)踐活動(dòng)中對(duì)凍脹問(wèn)題的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。
【關(guān)鍵詞】：季凍區(qū) 渠道邊坡 水-熱-變形耦合 凍脹 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TV698.26
【目錄】：

• 摘要8-9
• 英文摘要9-11
• 1 緒論11-16
• 1.1 研究背景及目的意義11-13
• 1.1.1 研究背景11-12
• 1.1.2 研究目的意義12-13
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-15
• 1.2.1 凍脹理論模型數(shù)值研究現(xiàn)狀13-14
• 1.2.2 耦合模型研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3 研究的主要內(nèi)容及技術(shù)路線15-16
• 2 凍土水、熱、變形耦合理論16-27
• 2.1 凍土的相變溫度場(chǎng)16-17
• 2.1.1 相變溫度場(chǎng)分析16
• 2.1.2 凍土相變溫度場(chǎng)的基本方程16-17
• 2.2 凍土的水分場(chǎng)17-22
• 2.2.1 正凍土中的水分重分布17-18
• 2.2.2 凍土中的未凍水含量18-19
• 2.2.3 影響水分遷移的主要因素19-20
• 2.2.4 水分遷移的原動(dòng)力理論及土水勢(shì)20-22
• 2.2.5 凍土水分場(chǎng)基本方程22
• 2.3 凍土的凍脹變形22-24
• 2.3.1 凍土水、熱、變形三場(chǎng)耦合關(guān)系23
• 2.3.2 凍土變形場(chǎng)基本方程23-24
• 2.4 凍土水、熱、變形三場(chǎng)耦合的數(shù)學(xué)模型24-27
• 2.4.1 基本假定24
• 2.4.2 基本方程24-25
• 2.4.3 模型的耦合25
• 2.4.4 變形場(chǎng)方程25-27
• 3 凍脹模型試驗(yàn)研究27-37
• 3.1 試驗(yàn)儀器27-29
• 3.1.1 土工凍脹試驗(yàn)機(jī)27
• 3.1.2 模具27-28
• 3.1.3 數(shù)據(jù)采集器28
• 3.1.4 溫度傳感器和位移傳感器28-29
• 3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)29-31
• 3.2.1 土的基本參數(shù)29
• 3.2.2 含水量的確定29-30
• 3.2.3 密度的確定30
• 3.2.4 溫度控制方案30
• 3.2.5 試驗(yàn)方案布置30-31
• 3.3 試驗(yàn)方法與步驟31-32
• 3.3.1 試樣制備31
• 3.3.2 試驗(yàn)步驟31-32
• 3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析32-35
• 3.4.1 試樣凍結(jié)過(guò)程的溫度場(chǎng)分析32-34
• 3.4.2 凍脹量分析34-35
• 3.5 凍脹預(yù)報(bào)回歸模型的建立35-37
• 4 室內(nèi)凍融模型試驗(yàn)37-51
• 4.1 凍土模型試驗(yàn)相似理論的研究37-39
• 4.1.1 導(dǎo)數(shù)替換準(zhǔn)則的證明37-38
• 4.1.2 相似準(zhǔn)則推導(dǎo)38-39
• 4.2 渠道室內(nèi)模型試驗(yàn)39-51
• 4.2.1 模型試驗(yàn)相似比尺及幾何尺寸的確定39-40
• 4.2.2 試驗(yàn)裝置及設(shè)備40-41
• 4.2.3 模型布置41-42
• 4.2.4 模型制作42-44
• 4.2.5 溫度制度設(shè)計(jì)44-46
• 4.2.6 試驗(yàn)結(jié)果分析46-51
• 5 渠道邊坡水、熱、變形耦合凍脹數(shù)值模擬51-59
• 5.1 Comsol軟件介紹51
• 5.2 渠道模型概況51-52
• 5.3 有限元模型及參數(shù)選取52-53
• 5.4 邊界條件及初始條件的確定53-54
• 5.5 數(shù)值模擬結(jié)果分析54-59
• 5.5.1 溫度場(chǎng)分析54-56
• 5.5.2 水分場(chǎng)分析56-58
• 5.5.3 變形場(chǎng)分析58-59
• 6 結(jié)論與展望59-60
• 致謝60-61
• 參考文獻(xiàn)61-65
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文65

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本文編號(hào)：1001077