多年冻土区U型槽的水平冻胀特性试验及理论研究

摘要

在多年冻土区，U型排水渠道经常遭受水平冻胀力的破坏，严重影响构筑物的服役性能。本文以青藏高原多年冻土区路基边坡U型槽排水渠道为研究对象，采用现场试验、理论分析和数值计算相结合的手段，研究了多年冻土区U型槽的水平冻胀力分布特征，建立了多年冻土区U型槽的水热力三场耦合数值模型，分析了U型槽埋深、周围土体含水量、周围土体换填范围及结构形式对温度场及水平冻胀力的影响。本文主要研究成果如下:
　　(1)U型槽周围土体的温度和外界温度具有强烈的相关性，结构周围土体温度在2月份达到最低，其周围活动层完全冻结。
　　(2)作用于结构上的水平冻胀力沿深度非均匀分布，随深度先增大后减小并在结构的1/2～1/3处达到水平冻胀力峰值;同时，随U型槽周围土体温度的降低作用于结构的水平冻胀力也随之增大，并在2月份水平冻胀力达到最大状态。
　　(3)不同埋深条件下，水平冻胀力均沿埋深非均匀分布，其数值大小在结构中部存在明显差异，主要体现在2月份水平冻胀力最大时刻，埋深0.7m、1.7和3mU型槽在0.35m、0.65m和1.65m处，水平冻胀力峰值分别为20.45kPa、31.65kPa和40.14kPa。
　　(4)不同含水量条件下，水平冻胀力分布与基本模型相同但数值大小随含水量的增加而增大，主要体现在2月份，含水量11％、15％和20％均在0.6m左右水平冻胀力达到峰值分别为31.65kPa、36.72kPa和38.86kPa。
　　(5)不同换填范围条件下，水平冻胀力峰值及位置均有显著变化，侧边土体的0～2.8m换填范围是影响水平冻胀力的主要范围，换填超过2.8m后，水平冻胀力几乎不再降低。
　　(6)相同埋深条件下，梯形结构产生的水平冻胀力相比U型结构增大13％～15％左右，而其分布形式基本相同，因此，U型结构在降低水平冻胀力方面优于梯形结构。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土的冻胀机理

1．2．2 多年冻土区冻胀力的研究

1．3 研究存在的不足

1．4 研究内容和技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

2 土体冻结时水平冻胀力的特点及影响因素

2．1 水平冻胀力的概念

2．2 水平冻胀力的特点及形成机理

2．3 水平冻胀力的影响因素

2．3．1 土质

2．3．2 温度

2．3．3 水分

2．3．4 结构物的变形

2．4 小结

3 多年冻土区U型槽结构的现场试验研究

3．1 测试仪器及方法

3．2 U型槽周围土体温度场变化的实测数据分析

3．2．1 地表温度变化

3．2．2 U型槽周围土体的温度场变化

3．3 U型槽的受力监测结果分析

3．4 小结

4 冻土地区U型槽水热力耦合的数值分析

4．1 冻土地区多场耦合原理

4．1．1 冻土相变温度场基本方程

4．1．2 冻土水分迁移方程

4．1．3 冻土应力和应变基本方程

4．2 U型槽的水热耦合参数选取和软件实现

4．2．1 物理场方程

4．2．2 几何模型

4．2．3 边界条件

4．2．4 参数选定

4．2．5 U型槽耦合理论分析

4．3 小结

5 浅埋建筑物水平冻结特性影响因素的理论分析

5．1 不同埋深条件的水平冻结特性理论分析

5．2 不同含水量条件的水平冻结特性理论分析

5．3 不同土性条件的水平冻结特性理论分析

5．4 不同结构排水渠道条件的水平冻结特性理论分析

5．5 小结

6．1 主要研究工作与结论

6．2 研究的不足与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集