多年冻土地区桩基温度场及其调控效果数值模拟

论文摘要

冻土是一种对气候和环境变化极为敏感的不稳定地质体,其物理、化学性质和工程特性除了与土颗粒的矿物成分、密度和含水量等因素有关外,还与土中含冰量和冻土的温度状态密切相关。在气候变化和人为扰动等外界因素影响下,导致一定范围内冻土层的温度场发生变化,进而对冻土地区工程建筑物的稳定性及耐久性产生不可忽视的影响。因此,本文针对冻土温度状况对建筑工程性质的影响,分别对施工扰动和气候条件变化影响下冻土地区桩基温度变化进行了研究,提出了施工期间及后期养护不同的温度调控措施,并对其调控效果及影响因素进行了数值模拟。文章首先运用有限元模型验证了天然状态下地温状态数值模拟的正确性,得到了天然状态下土体随时间变化的温度分布场。并在此基础上进行了以下几方面的研究：(1)分析了施工扰动对桩基周围冻土温度场的影响,模拟了桩基水化热过程,并着重对通冷冻液人工制冷措施加快桩基周围土体回冻效果进行研究；(2)考虑气候升温变化对冻土桩基温度场的影响,对不同冻土类型、土质参数以及不同升温率对冻土的最大融化深度和地温状况的敏感性进行探讨和分析；(3)针对基于气候变化产生的冻土退化,提出了热棒和人工冻结两种不同的温度调控技术,并利用有限元对其调控效果进行了数值模拟；(4)采用有限元优化分析方法,利用冻土地基实测温度数据对温度场计算中的物理参数——导热系数进行了反演分析。通过对施工扰动和气候变化影响下的冻土地区桩基温度场进行数值模拟,主要得到以下结论：(1)采用大气实测回归温度和“附面层”原理对天然地基温度场进行有限元数值模拟的方法是可以满足工程计算精度要求；(2)对于冷冻液温度调控措施,在冷冻管横截面积相同情况下,不同布置方案的冷却效果不同,采用多管布设冷却效果较好；(3)不同升温率、冻土类型、土质条件下,冻土的最大融化深度及其对气候变化的敏感性不同；(4)验证热棒技术和人工冷冻技术在冻土地区桩基温度调控中是可行的,且两者的调控效果不同,宜根据施工条件及外部环境因素进行选择；(5)提出了地基土质材料的导热系数反演分析方法,并验证了其可行性和实用性,对冻土地区工程建设有一定的理论实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景、目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 多年冻土地区桩基温度场研究现状
• 1.2.2 冻土地基温度场有限元分析方法研究现状
• 1.2.3 物理参数反分析研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 多年冻土地区天然地表条件下地温状态数值模拟与模型验证
• 2.1 多年冻土地区地温状况影响因素概述
• 2.1.1 外部因素
• 2.1.2 大气与多年冻土层间热交换关系因素
• 2.1.3 地层自身因素
• 2.2 天然状况下多年冻土地区地温状况数值模拟
• 2.2.1 模型建立
• 2.2.2 模型验证
• 2.2.3 模拟结果分析
• 2.3 讨论
• 2.4 本章小结
• 第三章 施工期间冻土地基温度场变化及调控效果有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 混凝土水化热计算
• 3.2.1 水泥水化热的计算方法
• 3.2.2 水泥水化放热曲线的确定
• 3.3 桩基施工期间冻土地基温度场变化及调控效果有限元分析
• 3.3.1 基于地层人工冻结的温度调控技术
• 3.3.2 模型的建立
• 3.3.3 边界条件和初始条件
• 3.3.4 有限元计算结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 气候变暖对多年冻土地区冻土温度状况的影响
• 4.1 引言
• 4.2 模型的建立
• 4.2.1 物理模型
• 4.2.2 数学模型
• 4.2.3 边界条件
• 4.2.4 初始条件
• 4.2.5 数值计算方法
• 4.3 计算结果及分析
• 4.3.1 气候变暖对最大季节融化深度的影响
• 4.3.2 气候变暖对冻土地温状况的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 桥梁桩基冻土地基温度场调控有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 桩基温度调控基本原理和技术方案设计
• 5.2.1 基于工质蒸发-冷凝（热棒）的温度调控技术
• 5.2.2 基于地层人工冻结的温度调控技术
• 5.3 热棒桩基温度调控技术有限元分析
• 5.3.1 热棒桩基模型
• 5.3.2 边界条件和初始条件
• 5.3.3 计算结果及分析
• 5.4 人工冻结技术用于桩基温度调控有限元分析
• 5.4.1 人工冻结桩基温度模型
• 5.4.2 边界条件和初始条件
• 5.4.3 计算结果及分析
• 5.5 讨论
• 5.6 本章小结
• 第六章 基于优化设计的材料导热系数反分析
• 6.1 引言
• 6.2 温度场反分析方法的研究现状
• 6.3 基于有限元的材料物理力学参数反分析方法
• 6.3.1 反演理论的研究现状
• 6.3.2 反分析基本理论
• 6.3.3 有限元优化分析方法
• 6.4 天然场地土层导热系数反分析
• 6.5 本章小结
• 主要结论与进一步研究建议
• 主要结论
• 进一步研究建议
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢