冻土水、热、力三场耦合关系及数值模拟研究

论文摘要

冻土是一种由土矿物颗粒、冰晶体、未冻水和空气等组成的复合材料。由于胶结冰的存在而使冻土表现出与普通土显著不同的力学特性。冻土由多相材料组成且包含冰—水的相变过程,使其力学性质受温度、水分、压力等多种因素影响而变得非常复杂,其中任意组分、过程的变化都会引起冻土整体性质的改变。土体冻融过程中水、热、力三场耦合作用机理研究是解决寒区冻胀、融沉两大工程难题及冻害防治的关键。本论文分析研究了饱和土体冻融过程中未冻水、凝结冰、温度、应力之间的相互作用关系,建立冻土温度场基本方程、水分场基本方程及水、热耦合模型。用数值方法对公路路基的水分场、温度场、应力场及其耦合作用进行模拟分析,做出评价和预测,并与实测数据进行比较,结果与实际比较吻合。本文的工作为进一步深入研究冻土内水、热、力耦合作用机理积累了经验,提供了有益的探索,也为解决寒区工程冻害预报和防治课题的研究提供了新的思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 冻土力学特性研究背景及现状
• 1.3 正冻土水热力耦合作用研究背景及现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 冻土水、热、力耦合关系研究
• 2.1 冻土相变温度场的特征及方程表达
• 2.1.1 冻土相变温度场
• 2.1.2 冻土相变温度场的方程表达式
• 2.2 冻土中水分迁移及水分场的方程表达
• 2.2.1 冻胀机理与水分迁移
• 2.2.2 冻土水分场的方程表达式
• 2.3 冻土渗流场、温度场耦合机理及耦合模型
• 2.3.1 土壤冻结过程中水分场与温度场的相互作用影响
• 2.3.2 冻土的水、热耦合模型
• 2.4 冻土应力场、温度场耦合作用
• 2.5 土壤冻结过程中水、热、力三场耦合关系
• 2.5.1 水分迁移、凝结与温度变化对应力场的影响
• 2.5.2 冻土应力场
• 2.6 小结
• 3 冻土水、热、力耦合关系模拟研究
• 3.1 数值模拟原理
• 3.1.1 偏微分方程弱解的积分形式
• 3.1.2 分部积分公式
• 3.2 耦合数值模拟算例
• 3.2.1 铁路路基温度场模拟算例
• 3.2.2 公路路基温度场、水分场耦合模拟算例
• 3.2.3 公路路基应力场、水分场、温度场耦合模拟算例
• 3.3 小结
• 4 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 参考文献
• 学术成果
• 致谢