冻融循环条件下人工冻结黏土冻胀特性试验研究

摘要

本文通过安徽理工大学自行研制的WDC-100型100KN微机控制多功能冻土冻融压缩试验机，进行了冻融循环条件下的单因素和多因素的冻结深厚表土的试验研究。比较分析了在该条件下土体内部的温度场变化规律、水分迁移情况、位移变形规律、冻结零度面的发展与时间的关系等。通过该研究更好的掌握了深厚表土的冻胀特性，可为以后矿井的低温冻结工程提供可靠的依据。
　　通过多因素正交试验得到了不同影响因素，在该条件下对土体总体变形的影响规律:含水率＞冻融循环次数＞上部载荷＞冻结温度＞融化温度。通过单因素试验，分别研究了冻融循环条件下冻结温度、融化温度、含水率、上部载荷和冻融循环次数对土体温度场，位移场，水分场的影响规律。冻结温度越低，土体内部温度场越低，靠近冷源的部分降温速率越大，冻结产生的冻胀变形越大。冻结温度主要影响靠近冷源30％高度的土体，越远离冷源，温度的变化越小。融化温度越高，土体升温度率越大，土体内部温度达到稳定所用的时间越短。融化初期土体内部温度的变化速率比冻结初期要大。当冻结温度一致时，融化温度越高，土体产生的融沉变形越大。
　　随着含水率的增加，在冻结期土体降温速率变小，在融化期因为含冰量增加，升温速率也会变小。无论是冻胀阶段还是融化阶段，含水率越大，土体产生的变形越大，经过冻融循环后，土体内部总的水分迁移量越高。当土体处于冻胀阶段，上部载荷会对土体冻结温度场的变化和内部的水分迁移产生抑制作用。土体总的变形在一定条件下随上部荷载的增大而增大。但在融化期由于上部载荷越大，土体底部向外挤出的水分越多，下部含水率低于上部的含水率。冻融循环次数对温度场的变化影响较小。随着冻融循环次数的增加土体的冻胀变形量，融沉变形量和不同高度的含水率差异都逐渐减小，首次的冻胀量和融沉变形量都是最大的。
　　此外，利用关系曲线回归分析得了出温度场，位移场等在不同条件下的拟合关系式。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的提出

1．2 课题研究的目的与意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 冻融作用下土的冻胀机理研究

1．3．2 冻融作用下土的冻胀表现研究

1．4 论文研究内容、方法与技术路线

1．4．1 论文研究内容

1．4．2 技术路线

2 人工冻土多功能冻胀试验系统

2．1 人工冻土多功能冻胀试验系统主要功能与主体结构

2．1．1 试验系统主要功能

2．1．2 试验系统主体结构

2．2 试验控制软件

2．2．1 控制软件界面部分

2．2．2 温度系统控制与实现

2．2．3 加载系统控制与实现

2．2．4 主界面参数设置

3 土体的冻胀机理

3．1 冻土的概述

3．1．1 冻土的基本成分

3．1．2 冻土的形成及融化过程

3．1．3 土的冻结温度及融化温度

3．2 土的冻胀机理

3．3 影响冻胀性的因素

3．3．1 冻胀性

3．3．2 融沉性

3．4 土的冻胀特-陛指标

3．4．1 冻胀率

3．4．2 冻胀力

3．4．3 融沉量

4 冻融循环作用下人工冻土冻胀试验

4．1 常规土工试验

4．1．1 颗粒分析

4．1．2 含水率试验

4．1．3 干密度试验

4．1．4 导热系数试验

4．2 冻融试验

4．2．1 冻融试验步骤

4．2．2 冻融试验方法

4．2．3 冻融试验设计

4．2．4 冻融试验安排

5 试验数据处理与结果分析

5．1 冻土冻胀变形场

5．2 正交试验结果分析

5．3 单因素试验结果分析

5．3．1 冷端温度对土体冻胀特性的影响

5．3．2 融化温度对土体冻胀特性的影响

5．3．3 含水率对土体冻胀特性的影响

5．3．4 上部荷载对土体冻胀特性的影响

5．3．5 冻融循环次数对土体冻胀特性的影响

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 论文不足及下一步研究展望

致谢

参考文献

作者简介及读研期间主要科研成果