孔隙尺度下冻土冻胀特性的数值模拟及实验研究
冻土约占全球陆地面积的70%，我国拥有的冻土面积位列世界第三，约占国土面积的75%。我国越来越多的交通基础设施，如高速公路、高铁等将在冻土区修建。气温的周期性变化引起高速公路、高铁等路基土体的冻胀、融沉等病害。因此，土壤冻融循环过程中冻胀特性及水热迁移规律的研究对冻土地区基础设施建设具有重要意义。现阶段针对土壤冻融过程冻胀特性的研究偏重于宏观实验分析，而相关的数值模型也无法处理非稳态孔隙结构对冻胀特性的影响。 本文基于热固耦合数值计算方法，将土壤冻胀过程拆分为热传导过程及孔隙水膨胀过程，建立了由非稳态导热微分方程及瞬态动力学基本运动方程控制的土壤冻胀数学模型；根据测试的土壤颗粒级配及孔隙率，建立了球形土壤颗粒几何模型及孔隙水几何模型。 针对不同冻融循环次数，土壤颗粒直径级配分布及冻结温度，从土壤内部温度分布及土壤颗粒位移两个方面对土壤冻胀特性进行了数值模拟研究。结果表明，直径较大的土壤颗粒的冻结速率小于直径较小的土壤颗粒的冻结速率，同时，冻结速率随着土壤上表面温度的升高而减慢；直径较小的土壤颗粒在冻结时发生的位移大于直径较大的土壤颗粒的位移，且直径级配分布的土壤颗粒在冻结时发生的位移要明显大于直径均匀分布的颗粒位移；在冻融循环过程中，随着冻融循环次数的增加，土壤颗粒在冻结时发生的位移逐渐减小。 基于室内冻土冻胀实验台，通过采集土壤温度、含水率、上表面位移等参数，分析了冻结过程各参数的变化规律，以及土壤冻融循环次数对冻胀量、土壤内部水热迁移强度的影响。实验结果表明，在土壤冻融状态转变的过程中，土壤含水率与水势均发生了突变的现象，通过分析含水率随温度的变化规律，发现在冻结过程中含水率发生突变的温度与融化过程中含水率发生突变的温度并不相同；冻胀量主要来自于表层土壤的冻结作用，底层土壤冻结并未引起明显冻胀，且随着冻融循环次数的增加，冻胀量发生了下降。将多次冻融循环冻胀率变化的实验结果与数值模拟结果进行了对比分析，发现两者冻胀率的变化趋势较好地吻合，本文数值模拟的准确性从而得以验证。
孔隙尺度;热固耦合;数值模拟;水热迁移;冻土冻胀特性;高速公路
哈尔滨工业大学
硕士
工程热物理
李炳熙;赵越
2017
中文
U418.53
75
2018-10-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）