季节冻土环境中人工冻土墙试验研究

论文摘要

我国季节冻土区分布在广大东北、华北、西北及内蒙古地区,其冻结深度由南至北、由低海拔向高海拔区增厚,最大达3m左右,在该土层储存了大量天然冷能。目前我国尚未开展过利用季节冻土区天然冷能节省人工冻结耗能的试验和实际工程,因此在季节冻土区进行人工冻土墙试验研究具有重要的理论意义和工程实用意义。本次试验按照季节冻土层温度的不同共分为六组,采用了ZR144KC型制冷机、DT515数字采集系统、位移传感器、土压力计和T型热电偶等试验仪器,获得了大量的试验数据及冻土墙参数随季节温度的变化规律。本文主要研究内容:探讨了人工冻土墙的设计方法和设计步骤;根据相似理论,自行研制了模拟试验台;通过对模型试验数据的分析和总结,得到季节冻土层温度对人工冻土墙温度场、位移场及冻胀力的影响规律,通过监测数据指出利用天然冷能节省人工冻结耗能的可行性。主要研究结果表明:季节冻土层的温度不同,墙身上各点的最大水平位移不同,温度越高,最大水平位移越大,并且最终的位移量也越大;当无季节冻土层时候,冻土墙最大的位移量和总位移量都达到最大值。在季节冻土区,最大的水平冻胀力与季节冻土层的温度有关,季节冻土温度越低,最大水平冻胀力越大。无季节冻土层的人工冻结耗能远远高于有季节冻土层时人工冻结耗能。而不同温度的季节冻土层,对人工冻结耗能的影响也是不相同的,季节冻土层温度越低,则人工冻结耗能越小。试验结果对利用天然冷能节省人工冻结耗能技术的在实际工程中的应用具有一定的实用价值和指导意义,也为以后在此技术方面的研究工作奠定了一定的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外的研究现状及进展
• 1.2.1 物理模拟（模型）试验
• 1.2.2 数值模拟研究
• 1.2.3 解析分析研究
• 1.3 本论文主要研究内容和研究方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 第2章 季节冻土层下人工冻土墙物理模拟试验
• 2.1 物理模拟试验简介
• 2.2 相似准则与模型设计
• 2.2.1 模型原型的基本特征
• 2.2.2 冻结温度场的相似准则方程
• 2.2.3 冻土墙位移场的相似准则方程
• 2.2.4 冻胀力的相似准则方程
• 2.2.5 模型设计与模拟参数
• 2.3 模拟试验台的设计
• 2.3.1 试验台体的结构与构造
• 2.3.2 温度模拟系统
• 2.3.3 加载模拟系统
• 2.3.4 量测系统
• 2.4 试验过程
• 2.4.1 模型材料的配置
• 2.4.2 冻结
• 2.4.3 单试件法加载
• 2.4.4 模拟开挖
• 2.4.5 冻土墙温度、变形和冻胀力的量测
• 2.5 试验工况
• 2.6 小结
• 第3章 试验结果及分析
• 3.1 冻土墙的温度分布
• 3.1.1 积极冻结期温度分布特征
• 3.1.2 冻结维护期的温度分布特征
• 3.2 冻土墙变形特征
• 3.2.1 压力与变形关系曲线
• 3.2.2 冻土墙最大水平位移沿墙高的分布特点
• 3.2.3 冻土墙水平位移沿冻土墙长度方向的分布特点
• 3.3 冻胀力特征
• 3.3.1 水平冻胀力随时间变化特征
• 3.3.2 最大水平冻胀力随季节冻土层温度的变化特征
• 3.3.3 最大水平冻胀力沿墙高的分布
• 3.4 不同温度季节冻土层对人工冻结耗能的影响
• 3.5 小结
• 第4章 季节冻土区冻土墙设计方法的研究
• 4.1 冻土墙设计方法的探讨
• 4.1.1 力学设计
• 4.1.2 热学设计
• 4.2 季节冻土层对人工冻土墙周围温度场的影响
• 4.2.1 冻土墙的温度场
• 4.2.2 季节冻土层对冻土墙温度场影响的分析
• 4.3 季节冻土层对冻胀力的影响
• 4.3.1 冻土墙的水平冻胀力的影响因素
• 4.3.2 季节冻土层对冻胀力影响的分析
• 4.4 季节冻土层对冻土墙冻结耗能的影响
• 4.5 热学计算算例
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢