饱和颗粒土冻结过程中的多场耦合研究

论文摘要

土体的冻结过程是温度场、水分场及应力场相互作用的一个极其复杂的热力学、物理化学和力学的综合问题。冻结过程中由于水分迁移引起的冻胀量远远大于孔隙水原位冻结引起的体积膨胀量，冻土区的冻胀、融沉给道路和建筑物造成很大的危害，如出现裂缝、沉陷、结构断裂等现象。关于冻胀的机理研究一直是冻土界注重的问题之一。在众多的冻胀模型中，由于冻结过程中出现冰透镜体分层分凝现象的复杂性，描述冰分凝现象的模型很少，目前描述冰分凝现象的模型均为一维的，而且并未与应力场耦合起来。本文针对以上问题进行了深入研究，导出了一个描述饱和颗粒土冻结时冰分凝过程的一维模型并将之推广至二维，然后建立了一个简单的一维三场耦合模型，具体内容如下：在O’Nell和Miller的刚性冰模型的主要思想基础上，本文对于孔隙水迁移的驱动势以及分凝冰产生判据进行了修正，基于局部热平衡和力平衡的观点提出了一个关于饱和颗粒土一维冻结过程的冰分凝模型，并针对前人所做的冻胀实验采用有限差分法进行了数值模拟，计算结果与实验现象较为吻合，计算结果表明，当分凝冰的产生是连续时，同样可以得到分凝冰的分层现象。采用导出的一维冰分凝模型，针对不同的土体性质参数和不同的边界条件进行了数值模拟，计算结果与实测现象较为吻合，而且计算结果表明，载荷、边界温度变化率、导水系数和土颗粒的持水能力等对于冻胀现象影响较大。在本文导出的基于相平衡和力平衡的一维冰分凝模型基础上，将冰分凝量作为初应变考虑，应用热应力研究中的Duhamel方法，考虑边界的约束条件，将温度场、水分场与应力场联系起来，导出了一个关于饱和颗粒土冻结过程中三场耦合的简单一维模型，并进行了数值模拟，讨论了边界约束对于冻胀现象的影响。针对二维冻结过程中不规则的分凝冰分布，给出了一个确定冻胀速度的方法，将一维的冰分凝模型推广到了二维并进行了数值模拟，讨论了不同的温度边界条件对于冻胀现象的影响。采用可视化的方法对于饱和颗粒系统的冻结过程进行了初步的实验研究，选用两种不同粒径的玻璃珠分别进行了冻结实验，实验结果显示在冻结区内靠近未冻区的部分出现了冰聚集现象，而且随着冻结深度的增加，冰聚集的量逐渐增大。选择与实验材料类似的参数和边界条件，应用本文导出的饱和颗粒土的冻胀模型进行了一维的数值模拟，计算得到的冰分凝量的变化趋势与实验所观测到的现象是一致的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究综述
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 饱和颗粒土单向冻结时水、热耦合过程的理论研究
• 2.1 基于局部热平衡和力平衡的一维冰分凝模型
• 2.1.1 物理模型及基本假设
• 2.1.2 守恒方程
• w的关系'>2.1.3 相变区内体积含冰量I与孔隙水压u_w的关系
• 2.1.4 相变区和未冻区内的应力状态以及分凝冰产生判据
• 2.1.5 边界条件
• 2.2 方程离散及数值模拟
• 2.2.1 方程离散
• 2.2.2 算例
• 2.2.3 计算结果
• 2.3 本章小结
• 第三章 关于冻胀现象影响因素的理论研究
• 3.1 边界条件对于冻胀现象的影响
• 3.1.1 载荷的影响
• 3.1.2 冷端边界降温速度的影响
• 3.2 土体性质对于冻胀现象的影响
• 3.2.1 土体压缩系数的影响
• 3.2.2 导水系数的影响
• 3.2.3 土颗粒导热系数的影响
• 3.3 未冻水含量与温度的关系对冻胀现象的影响
• 3.3.1 孔隙率的影响
• 3.3.2 土体持水能力的影响
• 3.4 封闭系统的冻胀现象
• 3.5 本章小结
• 第四章 一维三场耦合模型的建立及一维冰分凝模型向二维的推广
• 4.1 水、热迁移过程与应力场的耦合以及计算方法
• 4.1.1 Duhamel相似定理
• 4.1.2 饱和颗粒土一维冻结过程中的三场耦合问题
• 4.1.3 算例及数值模拟
• 4.2 一维冰分凝模型向二维的推广
• 4.2.1 基于相平衡和力平衡的二维冰分凝模型
• 4.2.2 算例及数值模拟
• 4.3 本章小结
• 第五章 饱和颗粒系统单向冻结过程的初步可视化实验研究
• 5.1 实验装置及实验方法
• 5.2 实验结果及讨论
• 5.2.1 粒径0.165mm实验材料的实验结果
• 5.2.2 粒径0.074mm实验材料的实验结果
• 5.3 数值模拟
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 进一步研究与展望
• 附录一:一维冰分凝模型计算程序流程
• 附录二:一维三场耦合模型计算程序流程
• 主要符号表
• 参考文献
• 博士研究生在读期间参加的科研项目
• 博士研究生在读期间发表的论文目录
• 致谢