人工冻土单桩桩土体系水分迁移及冻胀特性的试验研究

摘要

随着国家对寒区基础设施建设的增多和投资力度的加大，冻土区工程项目大规模开展，然而由于冻土特殊的工程性质，冻土区的工程难度和病害问题也逐渐凸显出来。工程施工对多年冻土的热扰动和回冻过程中的温度、水分等的变化，给现场桩基的承载力、沉降带来影响，给工程设计和施工提出了挑战。同时，冻土的水分迁移研究也逐渐成为近年来国内外学者比较感兴趣的热门课题。
　　为了探讨不同桩周土桩土界面水分迁移规律及冰膜形成机理问题，本文自行开发了一套测试非饱和土体冻结过程的水分迁移的装置和简易方法，通过室内模型试验和数值模拟来研究不同桩周土体、不同桩土体系下冻融阶段桩周土体温度的变化和回冻过程中，回冻到不同的温度，桩周土体各位置处含水率的变化规律以及在此封闭环境中桩周土体冻胀力和冻胀量的变化。论文的主要的研究成果包括以下几个方面：
　　（1）以青藏铁路K1047的楚玛河桥梁桩基工程为背景，在室内以内嵌电热棒的缩尺模型桩通电发热来模拟现场钻孔灌注桩所产生的混凝土水化热，利用冻融循环的低温模型箱来提供低温环境，借助自制冻融试样模型箱和实验室的温度传感器、温度巡检仪、机电百分表、土压力盒、NV2312N无线静态应变测试仪等试验仪器，设计组装不同桩周土桩土界面水分迁移室内模型试验装置。
　　（2）不同桩周土桩土界面水分迁移的室内模型试验采用三种工况，分别是兰州黄土、中细砂和上层黄土下层中细砂。通过温度监测得到冻结、融化、回冻阶段桩周土的温度变化；通过在不同的回冻温度-0.5℃、-1℃、-1.5℃、-2℃、-2.5℃下分别提取模型箱，对土体进行切片，测试不同位置的含水率，总结不同桩周土体水分迁移规律。通过对每一工况回冻至-2.5℃的模型进行冻胀力和冻胀量的测试，得出不同桩周土的冻胀规律。
　　（3）本文通过室内模型试验研究冻土冻融、回冻过程中温度场和水分场的变化。采用ABAQUS软件，对模型试验依托的实际工程的现场温度场进行有限元分析，对浇筑桩基混凝土所产生的水化热造成土体热扰动过程中温度场的变化进行分析，可以用于指导工程实践。
　　本文通过自行设计模型试验方案，对不同桩周土体的三种工况室内模型试验进行测试。对现场的温度场进行有限元软件模拟，得到一些不同桩周土水分迁移过程中温度和水分变化的规律，对深入研究冻土桩土体系多场耦合问题提供参考。

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1绪论

1.1问题的提出和研究的目的意义

1.2冻土的水分迁移

1.3国内外冻土水分迁移研究现状

1.4国内外对水分迁移模型及水热耦合数值模拟研究现状

1.5本文研究的主要内容和技术路线

2冻土的基本物理性质及其水分迁移的基本理论

2.1冻土的定义及其分类

2.2 冻土的分布

2.3冻土学科体系组成

2.4冻土的基本物理性质

2.5冻土水分迁移的动力

2.6冻土水分迁移的相关参数

2.7土体冻结过程中的力学特性

2.8本章小结

3工程背景及水分迁移室内模型试验介绍

3.1工程背景

3.2模型试验概述

3.3试验装置的开发设计

3.4室内模型试验设计

3.5试验步骤

3.6本章小结

4模型试验结果分析

4.1水分迁移的试验现象

4.2模型试验温度分析

4.3模型试验含水率分析

4.4模型试验冻胀力分析

4.5模型试验冻胀量分析

4.6本章小结

5冻土水热耦合的数学模型及数值模拟

5.1水热耦合的模型

5.2冻土水热耦合数值模拟分析

5.3本章小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果