冻土水热力场耦合机理研究与工程应用

摘要

我国拥有广阔的冻土面积，其中53%的冻土面积都是季节冻土。冻融循环引起的破坏是季节冻土区工程的首要病害，如路面、渠道、边坡、管线等。产生这种现象的原因是温度、水分、应力相互耦合结果。由于其耦合机理十分复杂，而且涉及到的包括传热传质学、流体力学、物理化学、弹塑性力学等很多学科，因此各个多场耦合的模型中需要采用过多的参数来描述这一现象，其中一些参数难以确定，从而不利于工程应用。为了有效的预防和解决冻融循环所带来的问题，就必须深入了解冻融循环机理，建立更有效的数值计算模型，从而更好地指导寒区工程的建设。
　　本文的研究主要包括饱和冻土多场耦合理论建模与季节冻土区工程实例分析，具体研究内容如下：
　　(1)基于Harlan流体动力学模型，首先以温度和孔隙率为变量建立了一个实用的饱和冻土水热耦合控制方程；其次将土体视为弹性体，给出孔隙率和冻胀量关系，将水分场与应力场建立联系；然后，采用 Galerkin方法和有限差分方法对已有控制方程进行数值离散，得到其离散方程及系数矩阵；最后采用 COMSOL Multiphysics中的数学模块实现温度场和水分场的数值模拟，并与室内水分迁移试验进行对比，证明该多场耦合模型的有效性。
　　(2)取大庆市北引工程粘土体，按1:10的比例对原渠道进行缩尺模型试验。获得模型试验的温度场、最大冻胀量以及最大冻深等数据，并将试验数据与数值模拟结果进行对比验证。然后以北部引嫩工程的一段渠道为例，采用有限元软件COMSOL Multiphysics，对渠道温度场、水分场、应力场进行数值模拟分析，并计算渠道的最大冻胀量与最大冻深，为准确分析季节冻土区渠道内部规律提供了科学依据。
　　(3)基于强度折减法理论，以哈大路基边坡为例，在考虑水热力场耦合的基础上，计算不同含水量边坡在不同冻融循环次数作用下的安全系数。综合分析土体含水量和冻融循环次数对边坡稳定系数的影响规律。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文研究内容与技术路线

第2章 冻土水热力耦合理论研究

2.1 冻土温度场分析

2.2 冻土水分场分析

2.3 冻土应力场分析

2.4 本章小结

第3章 冻土水热力模型建立与求解

3.1 数值模拟原理

3.2 开放系统下土柱冻结试验模型

3.3 封闭系统下土柱冻结试验模型

3.4 本章小结

第4章 渠道水热力三场耦合分析

4.1 渠道概况

4.2 模型试验

4.3 渠道有限元模型计算与分析

4.4 本章小结

第5章 季节冻土区边坡稳定性分析

5.1 计算原理

5.2 边坡模型建立与计算参数确定

5.3 边坡稳定性分析

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

声明

致谢