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正冻土水热力耦合的数值机理研究

韩天一  
【摘要】: 在土体的冻结与融化过程中,土体中温度、水分和应力之间相互耦合机理是一个涉及到热传质学、热力学、流体力学和物理化学的极其复杂的综合问题。由于冻土的特殊性质,尤其是冻土中冰透镜体的出现,使得对冻土的研究与一般土体相比更为复杂,要有效的预防和抑制土体在冻结与融化过程中的冻胀与融沉现象,就必须充分考虑温度、水分和应力的三场耦合作用机理。 本文在Harlan模型的基础上,综合考虑了刚性冰假定和水动力学模型,将土体视为空间弹性体,以等效含水量代替冰含量简化水分迁移方程,并采用冰阻抗因子求解冻结区的各计算参数,运用显热容法处理冰水相变潜热,进一步考虑了土体应变对含水量的影响,建立了土体冻结过程中水—热—力的三场耦合模型。 运用有限元法和差分法对饱和土冻结过程中水—热—力的耦合机理进行了数值离散,给出了离散后的有限元方程,并在论文最后模拟了土柱和冻土路基的冻结过程,给出了冻土中含水量分布、应力分布规律,以及冻结时间、温度边界条件对冻土中含水量分布、应力分布的影响,经过对计算结果的分析研究,认为为保护冻土区的建筑物的稳定性和运营安全,对冻土路面采取保温措施和降低路基中温度是切实可行的。


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