水热状态变化对黄土热参数影响规律的试验研究

摘要

黄土地区是我国西部大开发和“一带一路”战略的要地，近些年来在黄土地区实施的公路、铁路、市政、水利等领域的工程活动日益活跃，各类工程建设事业亦蓬勃发展，潜在的冻融灾害也将随之增加。
　　本文围绕黄土体热参数特性开展研究，主要分析影响黄土体热物性参数的机理、影响因素。从而研究清楚浅层土体温度场的特点及其分布规律，为实际工程提供指导性意见。为进一步土体中水分迁移、热量贮运及能量交换研究打下理论基础。
　　分别在榆林、延安、洛川典型黄土地层取样，对其开展热物性参数试验。重点分析了导热系数、比热容、热扩散系数这三个重要参数，并对其在含水率、干密度、温度等影响因素下进行分析，得出了各影响因素对热参数的影响规律。以试验数据为基础，建立了黄土地区土体热参数经验公式，结合黄土地区气候特征，给出了考虑辐射、蒸发、风速等边界条件的温度场计算模型。依托延安挖山填沟工程，模拟延安地区不同工况条件下土层冬季温度场分布情况并进行了分析，为预防延安挖山填沟工程冻融灾害的发生提出了指导性意见。同时验证了黄土热物理参数选取的正确性以及拟合方程的可行性，为黄土地区工程建设温度场分析提供了理论和借鉴依据。
　　研究发现：①常温状态下，黄土导热系数、比热容均随含水率的增大基本呈线性规律增大，热扩散系数随含水率的增大先增大后减小直至趋于稳定。②在相同含水率条件下，榆林、延安、洛川三地区黄土样导热系数随着干密度的增大而增大，在相同干密度情况下，黄土导热系数随着含水率的增加从开始增长较快，直至增长较慢。同时，含水率对导热系数的影响明显大于干密度对导热系数的影响；在含水率一定的条件下，不同地区黄土的比热容由于干密度的不同而不同，洛川黄土的比热容较大，延安黄土的比热容次之，榆林黄土的比热容最小；含水率相同时，热扩散系数随干密度的增大而增大，即洛川黄土的热扩散系数较大，延安黄土的热扩散系数次之，榆林黄土的热扩散系数最小。③冻结过程中土体导热系数随温度降低略有增大，即温度越低，导热系数越大。比热容随温度的升高而增大，即随着温度降低，比热容越小，在0~-5℃附近会有突变，-10~-20℃逐渐趋于平稳；随着冻融循环次数的增加，导热系数、比热容、热扩散系数略有减小；冻结速率对导热系数、比热容、热扩散系数的影响均较小，随着冻结速率的减小即冻结时间的延长，各参数略微降低。冻融后土体热参数受含水率影响依然较大。总体来说，温度对黄土导热系数、比热容、热扩散系数的影响小于土样干密度和含水率对其热参数的影响。

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1 绪论

1.1选题背景

1.2课题研究目的和意义

1.3国内外研究现状

1.4主要研究内容

2 黄土热参数试验研究及分析

2.1引言

2.2黄土热参数及其测试方法概述

2.3试验原理及模型

2.4试验研究方法

2.5试样制备及黄土基本性质

2.6土体热参数与黄土体含水率的影响关系

2.7土体热参数与黄土干密度的变化规律分析

2.8土体热参数随温度的变化规律分析

2.9本章小结

3 浅层土体温度场影响因素及其模型

3.1引言

3.2浅层土体温度场影响因素

3.3温度场计算模型

3.4边界条件和初始条件

3.5自然条件参数确定

3.6拟合公式及参数确定

3.7本章小结

4 热参数在延安地区挖山填沟工程中的应用

4.1引言

4.2数值模拟及ANSYS软件简介

4.3工程概况

4.4计算模型

4.5温度场分析结果

4.6模拟结果对比分析

4.7本章小结

5 结论与展望

5.1主要结论

5.2展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果