深厚冲积层人工冻土水热迁移试验研究

摘要

结合人工地层冻结技术在矿井建设中的杰出应用，两淮地区新建矿井穿越表土层的厚度不断增加。本文通过冻土的理论分析、人工冻土水热迁移的试验探究以及结合工程实例的双圈管冻结模型的数值模拟三种方式，对深厚地层土壤水热迁移规律进行系统的研究。结果对于掌握深厚地层土体的水热迁移规律以及深部矿井建设具有一定指导的意义。
　　通过自行研制的一套能够进行大体积土样试验的冻胀试验装置，针对深厚冲积层黏土的含水率和冷端温度两个因素进行了补水条件下的单向冻结试验，通过试验得到了土壤冻结过程中不同高度处各土层温度场、水分场以及位移场的发展变化规律。对于深厚冲积层含水率相同的土体，冻结温度越低，温度场达到稳定的时间越快;冻结温度相同时，土体的含水率越大，温度场稳定所需要的时间越长;在同一冻结温度下，含水率越大的土体冻结锋面移动越慢;土体含水率相同时，冻结温度越低，冻结锋面移动速率越快;在对土体单向冻结过程中，靠近冷源的土体，基本发生的是原位冻结，水分迁移量很小，随着冻结锋面的向上推进，水分不断地向冻结锋面处迁移，冻结完成后，土体中仍有未冻水的存在;测试土体冻后含水率，可以发现，在相同冻结温度下，初始含水率大的，水分迁移量大，初始含水率相同时，冻结温度越高，水分迁移量越大，含水率最大值位置都在冻结锋面附近;在一定含水率范围内，冻结温度相同时，冻胀率随着土体含水率的增加，呈线性分布，含水率越大冻胀率越大;在一定冻结温度范围内，土体初始含水率相同时，土体冻胀率随着冷端温度的升高，呈线性分布，冷端温度越高冻胀率越小。
　　利用COMSOL Multiphysics模拟了两种模式下的双圈管冻结工程，并与现场实测值进行了对比分析，通过比较可以发现，冻结管偏斜对温度场以及冻结壁的发展具有较大影响，冻结管无偏斜时，冻结交圈较有偏斜时较早;模拟的温度场与冻结壁的发展规律与实测规律大致趋势基本相同，计算数据非常接近。结果表明利用COMSOL Multiphysics模拟双圈管冻结过程中温度场的发展是可靠的，对深部矿井建设具有一定的指导意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 冻胀模型的研究概况

1．2．2 冻土水热迁移研究概况

1．3 研究内容

1．4 论文研究方法和技术路线

1．4．1 论文的研究方法

1．4．2 技术路线

2 冻土水热迁移的理论分析

2．1 冻土温度场基本理论

2．1．1 相变温度场

2．1．2 冻土温度场基本方程

2．2 冻土水分场基本理论

2．2．1 影响水分迁移的因素

2．2．2 水分场基本方程

2．3 冻土水热耦合理论

2．3．1 Harlan水热耦合模型

2．3．2 水热耦合迁移方程

3 冻土水热迁移试验

3．1 试验装置的研制

3．2 土壤冻结试验

3．2．1 常规土工试验

3．2．2 冻结温度试验

3．2．3 试验方案

3．2．4 具体试验步骤

3．3 本章小结

4 试验结果分析与处理

4．1 温度场的分析与处理

4．1．1 试样各测点温度变化分析

4．1．2 试样内部冻结锋面发展规律分析

4．2 水分场的分析与处理

4．2．1 冻结过程中各测点水分变化分析

4．2．2 试样冻后剖面含水率分析

4．3 位移场的分析与处理

4．4 试验现象的探究与分析

4．5 本章小结

5 数值模拟及分析

5．1 COMSOL Multiphysics简介

5．2 模型的建立

5．2．1 工程背景

5．2．2 模型的计算假设

5．2．3 模块的选择以及几何模型的建立

5．2．4 边界条件和初始条件

5．2．5 模型的参数确定与网格的划分

5．3 现场实测与模拟结果对比分析

5．4 本章小结

6 结论

6．1 主要结论

6．2 不足与展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果