粘土的热物理参数和冻结过程中的温度场演变研究

摘要

冻土是一种由固、液、气、冰四相物质组成的复合材料。冻土中的冰相对其物理、力学和工程性质具有决定影响。因此，研究冰相的存在形式和形成过程，是揭示冻土复杂性质的基础和条件。而认识冻土的热参数及其导热特性，则是揭示冻土形成规律必不可少的条件。本论文从冻土的材料组成入手，研究了冻结过程中的热量构成，建立了冻土热物理参数的计算新模型，研发了室内模型试验装置，开展室内模型试验，通过模型试验结合数值模拟分析，验证了本文提出的冻土热物理参数计算新模型的有效性。为寒冷地区的工程建设和冻结法施工，提供了设计理论基础。获得的成果主要包括以下几个方面。 （1）揭示了土在冻结过程中的热量构成。将未冻土当作颗粒、孔隙水和孔隙气组成的复合体，则冻结过程实质上是孔隙水的降温过程、孔隙水的结冰过程、孔隙冰的降温过程、土颗粒的降温过程共四个物理过程的组合。因此，土在冻结过程中的热量消耗主要用于颗粒的温度变化、水（冰）的温度变化和冰水相变。 （2）揭示了土在冻结过程中，比热和导热系数的演变特点。由于冰和水的含量在冻结阶段是不断变化的，而冰的比热和导热系数完全不同于水的比热和导热系数，因此土体的比热和导热系数是一个动态变化过程。因此，研究土冻结阶段的导热系数和比热，必须与孔隙水的相变过程和相应潜热相联系。 （3）根据是否存在冰水相变或潜热，提出了一种冻结过程的划分方法。随温度降低，若土中水一直以液态形式存在则称之为未冻阶段；若存在固态冰且液态水随温度降低逐渐减少则称之为冻结阶段；若存在固态冰但液态水不再随温度降低而减少则称之为冻实阶段。 （4）建立了完整的冻结过程三阶段比热计算模型。基于复合材料比热计算理论，建立了土在未冻阶段和冻实阶段的比热计算模型。考虑相变本质和潜热的物理意义，建立了冻结阶段的比热计算模型。从而给出了土在未冻阶段、冻结阶段和冻实阶段三个阶段完整的比热计算模型。 （5）建立了涵盖冻结过程三阶段的导热系数计算模型。由试验现象出发，研究了密实度、含水量、温度等参数与导热系数的关系。基于理想模型，建立了随温度变化的考虑了相变的导热系数理论模型。并初步建立了土在未冻阶段、冻结阶段和冻实阶段共三个温度阶段的导热系数计算模型。 （6）研制了冷冻模型试验系统，开发一种三维应力状态测试装置和一种三维应变测试装置，并成功进行了冷冻模型试验。根据冻结模型试验相似准则，开发了具有冷冻功能、温度测试功能、荷载施加和测试功能、补水功能、三维应力和三维应变测试功能的冻土模型试验系统，并进行了相应的单管冻结和双管冻结模型试验。 （7）提出了一个根据应力、应变测试数据，判断冷冻进程的方法。通过模型试验监测冻结过程中土体内部的温度变化、三维应变变化、三维应力变化，根据三维应变和三维应力的突变点，确定了冻结的起止时间和位置，预测了土体内部的冻结过程。 （8）建立了考虑相变潜热的有限元分析方法。基于建立的热参数模型和开发的考虑相变潜热的显热法，模拟了粘土冷冻模型试验温度场的变化过程。 （9）理论模型验证。通过考虑相变潜热、不考虑相变潜热数值模拟结果与实测结果对比分析，验证了本文提出的热参数计算模型的可靠性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 冻土的研究历史

1.1.1 冻土热参数的研究历史

1.1.2 冻结过程温度场演变的研究历史

1.2 冻结过程中温度场演变的研究现状

1.2.1 冻土比热的研究现状

1.2.2 冻土导热系数的研究现状

1.2.3 冻结过程中温度场的研究现状

1.3 土冻结过程中温度场研究存在的问题

1.3.1 冻土比热研究中存在的问题

1.3.2 冻土热传导系数研究中存在的问题

1.3.3 冻结过程温度场研究中存在的问题

1.4 本文的主要研究内容和论文的组织结构

1.4.1 本文的研究目的

1.4.2 本文的研究内容

1.4.3 研究采用的技术路线

1.4.4 创新点摘要

1.5 小结

第2章 冻土的物理力学指标和温度场描述

2.1 冻土的热物理指标和力学指标

2.1.1 冻土的热物理指标

2.1.2 冻土的力学指标

2.2 冻结过程测试

2.2.1 冻结过程及其影响因素

2.2.2 一种原状土的冻结过程测试

2.2.3 冻结温度的影响因素研究

2.3 不考虑相变潜热时土的热传导过程模拟

2.3.1 基本假设

2.3.2 几何模型

2.3.3 边界条件

2.3.4 方程类型和参数的确定

2.3.5 网格划分和求解

2.3.6 计算结果

2.3.7 误差的影响因素分析

2.4 小结

第3章 考虑相变潜热的冻土比热研究

3.1 显热与潜热

3.2 基于孔隙水相态的冻土分类研究

3.3 土颗粒、水和冰的比热

3.4 土在三个阶段的比热

3.4.1 温度变化时的热量组成

3.4.2 未冻土的比热

3.4.3 冻实土的比热

3.4.4 冻结土的比热

3.5 实验验证

3.5.1 未冻水含量

3.5.2 比热的计算值

3.5.3 比热的测试值

3.5.4 测试值与计算值的比较分析

3.6 小结

第4章 冻土的导热系数研究

4.1 土导热系数的物理意义

4.2 冻土导热系数的测试

4.3 冻土导热系数的试验研究

4.3.1 土中水和土中冰的导热系数

4.3.2 导热系数与含水量的关系研究

4.3.3 导热系数与温度的关系研究

4.3.4 导热系数与干密度的关系研究

4.4 冻土导热系数的理论模型

4.4.1 单粒径导热模型

4.4.2 双粒径导热模型

4.5 小结

第5章 人工冻结模型试验

5.1 岩土工程模型试验简介

5.2 模型试验系统的研制和开发

5.2.1 模型箱的制作

5.2.2 地下水补给系统

5.2.3 加载系统

5.2.4 冷冻系统

5.2.5 三维应变测试系统

5.2.6 三维应力测试系统

5.2.7 温度测试系统

5.2.8 数据采集系统

5.3 模型试验的相似准则

5.3.1 模型缩比和参数确定

5.3.2 时间缩比

5.3.3 温度相似准则

5.3.4 水分场相似准则

5.3.5 应力场相似准则

5.3.6 荷载相似准则

5.4 模型试验实施步骤

5.4.1 土料准备

5.4.2 模型槽的填筑和固结

5.4.3 冻结管的植入和各种传感器的埋设

5.4.4 冷冻系统的联接和试运行

5.4.5 开机试验

5.5 模型试验成果

5.5.1 单管冻结试验成果

5.5.2 双管冻结试验成果

5.5.3 双管冻结试验的三维应力应变测试

5.6 小结

第6章 冻结过程的数值模拟

6.1 基本假设

6.2 模型介绍

6.2.1 模型的几何尺寸

6.2.2 边界条件

6.2.3 热质扩散控制方程

6.2.4 单元划分和单元属性

6.3 热参数的确定

6.3.1 参数确定的一般方法

6.3.2 比热和导热系数计算的等价方法

6.3.3 考虑相变和潜热时的比热和导热系数计算

6.4 计算过程的控制

6.5 常规方法的计算结果和分析

6.5.1 温度场分析

6.5.2 特征点处的温度变化

6.6 考虑冻结过程中相变潜热的计算结果

6.6.1 温度场分析

6.6.2 特征点处的温度变化

6.7 两种结果的对比分析

6.7.1 温度场对比

6.7.2 特征点温度对比

6.8 小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文和主持科研情况

主要学术论文

主要科研项目

获奖成果及发明专利

致谢