季节性冻土区堤顶公路耦合冻融数值模拟研究

摘要

黑龙江干流堤防位于季节性冻土区，受冻融破坏影响严重，堤顶公路会产生冻胀、融沉等现象，缩短堤防整体使用寿命。通过对堤顶公路路面材料的耐久性分析，堤防整体结构稳定性及渗流稳定性的分析，探究堤防是否满足运行要求，缩减堤防受冻融破坏产生的影响。
　　本文在黑龙江干流堤防工程的基础之上，结合现有对混凝土的研究成果，对普通混凝土、碳纤维混凝土和沥青混凝土的耐久性能比较分析，再通过现场原位试验数据采集，对堤防的温度场、热-固耦合场和渗流场进行分析。
　　分析表明，堤顶公路路面材料在冻融循环作用下，碳纤维混凝土在外观方面、强度损失方面和质量损失方面均较好于其它两种材料。在对三种材料进行冻融循环模拟时，碳纤维混凝土在整体模型的应力、应变图及中心点应力、应变曲线中，比其它两种材料均有较好的耐久性能，与试验结果相对应。由堤防整体温度分布图可以看出，堤身及地基的温度分布比较准确反映出实际工程温度分布情况，与仪器所传回数据基本保持一致。对堤防整体进行温度场、热-固耦合场和渗流场分析，得出堤防工程施工良好，土质较均匀。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 选题依据及意义

1．1．1 项目支撑

1．1．2 研究区域背景

1．1．3 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 有限元方法研究

1．2．2 非饱和土抗剪强度研究

1．2．3 冻融特性理论研究

1．3 研究内容及技术路线图

1．3．1 研究主要内容

1．3．2 技术路线图

第二章 路面混凝土耦合冻融试验研究

2．1 试验设计方案

2．2 混凝土冻融循环试验

2．2．1 快冻法原理

2．2．2 试样要求

2．2．3 试样应符合的规定

2．2．4 快冻法试验步骤

2．3 试验计算结果处理

2．4 试验结果与分析

2．4．1 混凝土外观对比分析

2．4．2 混凝土强度损失对比分析

2．4．3 混凝土质量损失对比分析

2．5 本章小结

第三章 路面材料冻融过程数值模拟研究

3．1 热分析理论

3．1．1 瞬态热分析理论

3．1．2 本构关系

3．2 冻融循环数值模拟

3．2．1 参数设置

3．2．2 网格划分

3．2．3 设置步长和荷载

3．3 热力学计算结果及分析

3．3．1 普通混凝土在冻融循环下性能对比

3．3．2 碳纤维混凝土在冻融循环下性能对比

3．3．3 沥青混凝土在冻融循环下性能对比

3．4 三种材料冻融循环后抗压试验

3．4．1 普通混凝土抗压试验对比

3．4．2 碳纤维混凝土抗压试验对比

3．4．3 沥青混凝土抗压试验对比

3．4．4 三种材料抗压试验结果对比

3．5 本章小结

第四章 堤顶公路数值模拟研究

4．1 数据采集与传输

4．2 热应力分析理论

4．2．1 顺序耦合热应力分析

4．2．2 热传导理论

4．3 冻土本构关系

4．4 控制微分方程

4．5 温度场分析

4．5．1 各材料参数

4．5．2 网格划分

4．5．3 设置荷载

4．5．4 计算结果分析

4．6 热固耦合分析

4．6．1 热固耦合理论

4．6．2 荷载设置

4．6．3 计算结果分析

4．7 渗流场分析

4．7．1 堤防地基渗流场模型

4．7．2 微分方程及各材料参数

4．7．3 计算结果分析

4．8 本章小结

第五章 结论及建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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