三圈管冻结壁形成特性的试验研究

摘要

深厚冲积层冻结壁的设计是冻结法凿井中的难题，目前对三圈管冻结壁的形成特性研究较少，而对三圈管冻结壁形成过程中的温度场、水分场和冻胀力应力研究至今还未见有详细的报道。 本文首先对三圈管冻结壁的温度场、水分场进行了理论分析，采用室内模型试验的方法对三圈管冻结壁的形成特性进行了模拟：冻结壁内部各个区域的温度场形成，冻结壁内部，圈与圈之间和管与管之间的水分迁移，冻结壁温度场与冻结壁水分场的关系，不同含水量条件对冻土强度的影响等进行了试验和分析，并用大型商业计算软件ADINA对三圈管冻结壁形成过程的温度场进行了数值模拟。在本试验条件下得出中圈管间的冻结壁交圈最早，依次是外圈管、内圈管、外圈管与中圈管、内圈管和中圈管交圈；在冻结壁交圈之前，外圈管、中圈管和内圈管间的含水量先是增大后减小，而内圈管与中圈管、中圈管和外圈管间的含水量逐渐减小；中圈管的管间的冻胀力最大，而外圈管和内圈管的管间的冻胀力相对较小；通过对不同含水量条件下的冻土强度试验，得出在相同温度下，小于饱和含水量时，冻土的强度随着含水量的增大而增大，在相同含水量条件下冻土的强度随着冻结温度的下降而增大；利用ADINA软件模拟出的交圈时间与模型试验的交圈时间相吻合。本文的研究对现场冻结壁的设计与施工具有一定的参考意义。

目录

文摘

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1绪论

1.1问题的提出及课题的意义

1.2冻结场地的工程问题

1.2.1冻结场地的水分迁移

1.2.2由水分迁移所引起的工程冻害

1.3国内外研究现状及发展趋势

1.3.1冻土温度场的研究

1.3.2水分迁移的研究

1.1.3冻胀应力场的研究

1.3.3发展趋势

1.4研究内容、方法和技术路线

1.4.1研究内容、研究目标、拟解决的关键问题

1.4.2拟采取的研究方法、技术方案及可行性分析

1.4.3 技术路线

2冻土水分迁移规律理论分析

2.1概述

2.2水分迁移的动力和原理

2.3水分迁移势能

2.4冻土水分迁移问题的试验研究

3冻结壁温度场形成的理论分析

3.1冻土的形成过程

3.2影响冻结温度场的主要因素

3.2.1未冻水含量

3.2.2土的冻结温度

3.3冻土的热物理指标

3.3.1比热

3.3.2导热系数

3.3.3导温系数

3.3.4热容量

3.3.5相变潜能

3.4冻结过程温度场研究

3.5多圈管冻结壁温度场的计算理论及叠加计算

3.5.1冻结壁温度场的设计理论

3.5.2冻结壁温度场变化过程的数学模型

3.5.3冻结壁的平均温度的计算

4物理模型试验

4.1工程概况

4.2相似理论概述

4.2.1相似定理

4.3三圈管冻结壁形成的模型试验

4.3.1实验目的

4.3.2水分迁移的数学模型及相似准则

4.3.3冻结壁温度场的相似准则

4.3.4模型设计的基本假设

4.3.5室内物理模型试验设计

4.3.6试验元件

4.3.7 冻结系统

4.3.8试验步骤

4.4试验结果

4.4.1水分迁移

4.4.2温度场

4.4.3冻胀力

4.5试验结果分析

4.5.1水分场与冻结壁温度场

4.5.2冻胀力与冻结壁温度

4.4.3 冻胀力与含水量

4.4.4水分场分析

4.6不同含水量条件下冻土强度的测定

4.6.1试验内容和方法

4.6.2实验仪器

4.6.3试验要求

4.6.4实验仪器操作规程

4.6.5不同含水量对冻土物理力学性质的影响

5冻结壁温度场数值模拟

5.1冻结温度场的导热微分方程

5.2冻结温度场的有限元方程

5.3冻结温度场的数值模拟

5.3.1数值模拟计算热参数

5.3.2三圈冻结温度场数值计算模型

5.3.3数值模拟结果与分析

6结论和展望

6.1主要结论

6.2对本课题研究的几点认识和展望

6.2.1课题的复杂性

6.2.2展望

参考文献

致谢

附录