【摘要】：本文以哈爾濱新仁灌區(qū)渠基土為試驗(yàn)材料,在哈爾濱地區(qū)2010~2012年度三年的實(shí)際氣溫資料基礎(chǔ)之上,通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)提出并確定出凍結(jié)指數(shù)相似比C_I為1:135,實(shí)驗(yàn)室修正系數(shù)K為1.13,對(duì)不同初始狀態(tài)試樣進(jìn)行0~11次凍融循環(huán),凍融過(guò)程采用“單向凍結(jié),雙向融化”的似自然狀態(tài)凍融,在試樣經(jīng)歷預(yù)定的凍融循環(huán)次數(shù)后,將試樣取出測(cè)定其物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo),得到以下結(jié)論:隨著凍融循環(huán)的增加,土體物理性質(zhì)損傷規(guī)律為:非飽和試樣在封閉系統(tǒng)下滲透系數(shù)逐漸升高,但總體升高的速率逐漸降低,滲透系數(shù)值大約在7次時(shí)趨近于穩(wěn)定,且在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下,滲透系數(shù)隨著干密度和含水率的增大而增大。非飽和試樣在封閉系統(tǒng)下導(dǎo)熱系數(shù)線性降低,在凍融循環(huán)系數(shù)相同的情況下,導(dǎo)熱系數(shù)隨干密度和含水率增加而升高。封閉系統(tǒng)下飽和試樣呈指數(shù)形式降低,用修正后的Chung和Horton模型對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下的導(dǎo)熱系數(shù)值進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)值和真實(shí)值差距較小,不同次凍融下預(yù)測(cè)值和實(shí)際值誤差為5.15%,2.89%,2.21%,0.52%,0.31%,0.55%,0.33%。對(duì)于開(kāi)敞系統(tǒng)下試樣而言,導(dǎo)熱系數(shù)在首次凍融后增加較為明顯。非飽和試樣在封閉系統(tǒng)下凍融后,縱向含水率由于凍結(jié)鋒面的形成發(fā)生重分布現(xiàn)象。結(jié)合不同初始含水率來(lái)看,試樣上部含水率降低,在試樣中部10 cm上下一定范圍內(nèi),試樣含水率增大,而在其余下部,試樣含水率亦降低。封閉系統(tǒng)下飽和試樣和開(kāi)敞系統(tǒng)下試樣在反復(fù)凍融后,平均干密度降低,平均孔隙率增大。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土體的物理性質(zhì)規(guī)律為:無(wú)論試樣初始狀態(tài)和試樣在凍融過(guò)程中有無(wú)外接水源的補(bǔ)給,試樣的黏聚力均逐漸降低。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí),土體黏聚力隨含水率增大而降低,隨干密度增大而升高,不同干密度和含水率下,土體內(nèi)部黏聚力與凍融循環(huán)次數(shù)的損傷關(guān)系為指數(shù)形式。封閉系統(tǒng)下飽和試樣黏聚力損傷系數(shù)K_c與凍融次數(shù)呈指數(shù)變化,而開(kāi)敞系統(tǒng)下試樣黏聚力損傷系數(shù)K_c與凍融次數(shù)近似線性變化。封閉系統(tǒng)下非飽和試樣內(nèi)摩擦角逐漸增高,但每個(gè)凍融周期升高的速率并不一致,且無(wú)明顯規(guī)律可循。但對(duì)于凍融循環(huán)次數(shù)相同的試樣,內(nèi)摩擦角的大小受干密度和含水率影響較為明顯,其值的大小與干密度成正比,而與含水率成反比。封閉系統(tǒng)下飽和試樣的內(nèi)摩擦角隨凍融作用增加逐漸增大,開(kāi)敞系統(tǒng)下試樣的內(nèi)摩擦角變化規(guī)律趨勢(shì)性不明顯。封閉系統(tǒng)下飽和試樣內(nèi)摩擦角損傷系數(shù)K_φ與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系可用對(duì)數(shù)函數(shù)表示,而開(kāi)敞系統(tǒng)中的損傷系數(shù)K_φ與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系則為線性。封閉系統(tǒng)非飽和試樣的彈性模量總體呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)一定時(shí),彈性模量的大小同樣受干密度和含水率影響顯著,表現(xiàn)為隨干密度升高而增大,隨含水率升高而降低的趨勢(shì)。當(dāng)圍壓為100 kPa時(shí),彈性模量的裂化損傷比受首次凍融影響較大。對(duì)于相同初始狀態(tài)和相同凍融循環(huán)次數(shù)下的試樣,彈性模量隨圍壓的增大而增大。封閉系統(tǒng)下飽和試樣和開(kāi)敞試樣而言,二者的平均干密度和平均孔隙率變化具有一致性,隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行,平均干密度降低,平均孔隙率增大。通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析,結(jié)合試驗(yàn)測(cè)定的相關(guān)物理、力學(xué)指標(biāo),對(duì)封閉系統(tǒng)下飽和試樣的物理、力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),凍融作用為土體性質(zhì)發(fā)生改變的外因,而平均孔隙率則為內(nèi)因。土體性質(zhì)的變化從本質(zhì)上是通過(guò)內(nèi)外因共同作用的結(jié)果。物理性質(zhì)對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響大小為:平均孔隙率平均干密度滲透系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)。
【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】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：S277
【圖文】：

探究土體凍融破壞機(jī)理，對(duì)寒區(qū)工程尤其是渠系輸配水工程的建設(shè)和相關(guān)理論的完善具有十分重要的指導(dǎo)意義。.2 研究背景黑龍江省是我國(guó)重要的產(chǎn)糧基地，由于全省緯度較高，冬季氣候漫長(zhǎng)且氣溫較低，特殊的氣候環(huán)境使得農(nóng)業(yè)灌溉渠道面臨嚴(yán)重的凍害。由凍融作用造成的渠道基礎(chǔ)破壞嚴(yán)重，尤其在春季渠基土融化時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的程度更加明顯。由凍融造成的渠道破壞的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮，由凍融作用造成的渠道護(hù)砌結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象層出不窮，如圖 1-1 所示對(duì)于輸水渠道而言，由于基礎(chǔ)均建筑在農(nóng)田內(nèi)部或水源附近，較高的含水率使得凍融過(guò)程造成的危害更加突出。凍結(jié)過(guò)程中的水分、鹽分遷移和物質(zhì)運(yùn)輸及融化過(guò)程的微裂隙閉合使得渠道護(hù)砌出現(xiàn)搭接，翹起的現(xiàn)象鮮有尤為普遍。哈爾濱市素有“冰城”美譽(yù)之稱(chēng)，冬季最低氣溫在-30~-40 ℃之間，是我國(guó)典型的季節(jié)凍土區(qū)所在地，年內(nèi)凍結(jié)期長(zhǎng)達(dá) 180 余天，由于季節(jié)性?xún)鋈诘拇嬖�，�?duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田輸配水渠道帶來(lái)了極大危害。長(zhǎng)期以來(lái)，為保證糧食安全所需要的用水量，提高農(nóng)田灌溉用水效率，對(duì)于渠道滲漏的相關(guān)研究日益加深。然而渠道破壞的主要誘因來(lái)源于基礎(chǔ)在凍融作用下產(chǎn)生的破壞和失穩(wěn)，僅僅依靠渠道防滲漏，并不能從根源上解決季節(jié)凍土區(qū)渠道的破壞問(wèn)題。因此，對(duì)于研究季節(jié)凍土區(qū)土體在凍融作用下的物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律十分必要。

巖石圈-土壤-大氣圈之間能量交換的產(chǎn)物[3]。其響，但與凍土形成最為密切的即為溫度，在凍結(jié)凍結(jié)成冰，內(nèi)部水分不斷向凍結(jié)鋒面遷移（主要況下，形成冰透鏡體或冰夾層等侵入冰等。在融用下，孔隙水排出，土體發(fā)生壓縮。凍土的形成高，會(huì)引起凍土的加積和退化，而凍土的發(fā)育復(fù)循環(huán)作用，不論是季節(jié)凍土區(qū)還是多年凍土區(qū)力學(xué)性質(zhì)的變化顯著影響建筑物的安全性、穩(wěn)定土和多年凍土兩大類(lèi)。從世界范圍來(lái)看，多年凍。世界上多年凍土主要分布在歐洲和亞洲的北緯度地區(qū)的高山、高原也存在多年凍土。世界加拿大、中國(guó)、美國(guó)等國(guó)家。我國(guó)凍土分布面積面積約為 215 萬(wàn)平方公里，占我國(guó)國(guó)土面積的 1里，占我國(guó)國(guó)土面積的 53.5 %。多年凍土廣泛嫩平原和高山地帶，對(duì)于季節(jié)性?xún)鐾炼�，其分幾個(gè)�。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）。從全國(guó)范圍來(lái)看，示。

前 言表 1-1 凍土分類(lèi)Tab. 1-1 Basis for the classification of frozen soil凍土類(lèi)型 區(qū)域前提 凍土存在歷時(shí) 凍融特征多年凍土 年平均地面溫度≤0 ℃ ≥2 年 季節(jié)融化季節(jié)凍土 最低月平均地面溫度≤0 ℃ ≥1 月 季節(jié)凍結(jié)、不連續(xù)凍結(jié)瞬時(shí)凍土 極端最低地面溫度≤0 ℃ ＜1 月 不連續(xù)凍結(jié)或夜間凍結(jié)注：表中季節(jié)凍結(jié)或者季節(jié)融化均表示凍結(jié)持續(xù)時(shí)間或融化時(shí)間≥1 月，不連續(xù)凍結(jié)值凍結(jié)持續(xù)時(shí)間＜1。凍土的分布在垂向上的分布層次受年平均氣溫、緯度及高度分帶的影響顯著，從我國(guó)整體分布趨勢(shì)上看，主要的存在類(lèi)型從北向南依次呈過(guò)渡分布，如圖 1-3。

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