多年冻土地区输电线路杆塔基础温度场分析

摘要

冻土是对气候和温度变化极为敏感的不稳定土体。在气候变化和人为因素等外界影响下，冻土受到热扰动后温度场重新分布，可能引起冻土地区输电线路杆塔基础发生严重的变形，甚至坍塌。因此，塔基下的冻土温度场对塔桩的承载力有显著影响，现已越来越得到重视。
　　近年来，随着输电线路的迅速发展，杆塔基础所承受的荷载越来越大，传统的掏挖基础等浅埋式基础已很难满足电力建设发展的需要，在冻土区杆塔基础的建设中，钻孔灌注桩以其承载力高，适用性广，施工方法简单等优点成为输电线路杆塔基础最常用的基础形式。在冻土区，塔桩施工对冻土的扰动影响很大，桩侧土体回冻时间长，混凝土的水化放热是热扰动最主要的来源。因此，有必要对冻土地区塔桩热扰动问题进行深入研究。
　　本文根据传热学理论和混凝土水化热计算方法，利用COMSOL Multiphysics有限元软件，以给定的微分控制方程和边界条件，建立了二维数值模型;通过模拟计算，分析了在不同入模温度和不用水化热的条件下，冻土的温度场分布情况及其回冻过程。同时考虑了基础形式以及气候变暖情况对温度场的影响，得到了桩周土的温度随时间、深度的变化规律，给桩基础承载力的形成时间和合理安排施工进度提供了合理依据。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本论文研究内容及技术路线

2 冻土地区杆塔基础的基本理论

2．1 冻土的基本理论

2．1．1 冻土的定义和组成

2．1．2 多年冻土的分布

2．1．3 冻土的物理性质

2．1．4 冻土的热学性质

2．1．5 冻土的力学性质

2．1．6 冻土的冻胀融沉特性

2．2 输电线路杆塔基础基本理论

2．2．1 输电线路杆塔基础的现状及问题

2．2．2 杆塔基础选型及施工

2．3 本章小结

3 多年冻土区杆塔基础有限元数值分析

3．1 有限元软件COMSOL介绍

3．1．1 COMSOL软件介绍

3．1．2 传热模块简介

3．1．3 COMSOL软件典型过程

3．2 传热过程分析

3．2．1 导热、对流和辐射的传热机理

3．2．2 瞬态传热基本理论

3．2．3 三维导热方程

3．2．4 温度场控制微分方程

3．2．5 边界条件

3．2．6 混凝土水化热理论和计算方法

3．2．7 桩身混凝土的传热过程

3．3 有限元模型的建立

3．3．1 模型计算假设

3．3．2 控制方程

3．3．3 建立几何模型

3．3．4 边界条件

3．3．5 计算模型土体相关参数的确定

3．3．6 初始条件

3．3．7 网格划分

3．4 本章小结

4 温度场数值计算结果及分析

4．1 混凝土灌桩前桩周地温曲线

4．2 冻土温度场模拟结果

4．2．1 冻土温度场变化趋势分析

4．2．2 热扰动范围分析

4．3 冻土的回冻过程

4．3．1 桩土温度随时间变化规律

4．3．2 入模温度对回冻的影响

4．3．3 水化热对回冻的影响

4．3．4 回冻过程中桩基承载力分析

4．4 基础选型对温度场的影响分析

4．4．1 桩径对温度场的影响

4．4．2 桩长对温度场的影响

4．4．3 直柱基础与锥柱基础

4．5 本章小结

5 气候变暖对冻土上限和桩承载力的影响

5．1 气候变暖的特点

5．2 气候变暖对冻土上限深度的影响

5．3 气候变暖对地温及承载力的影响

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 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

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