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高寒地区非饱和土壤导热模型构建及模拟分析

秦芮  
【摘要】:随着经济快速发展、人口不断增加,人类的生产和生活范围及强度随之不断加大,进而出现了诸如能源短缺、环境恶化、土壤荒漠化和水体污染等问题。对高寒地区而言,土壤层升温和退化,使得建立于该区域上的的建筑、道路和管道等构筑物出现沉陷、开裂和变形等灾害性问题,需要亟待解决。高寒地区的非饱和土壤,影响其传热传质特性变化的热参数主要包括导热系数、比热和潜热等。对非饱和土壤导热系数变化而言,土壤组成结构和孔隙内的物质相态等对其都有影响,特别是冬季土壤冻融过程,土体相态、组成及分布等发生变化,导热系数变化较大。目前相关研究存在一些不足。本文针对含冰非饱和土壤,以孔隙度作为代表性状态变量,给出了REV(Representative Elementary Volume)的选取方法。在考虑冻融的条件下,建立了含冰非饱和土壤的2个导热REV分析模型:简化体积加权REV模型(简化串联模型和简化并联模型)和精细体积加权REV模型;据此给出了宏观导热分析模型(宏观串-并联模型和宏观并-串联模型)。并推导出各个模型下的导热系数计算公式。将已有试验的试验值、精细体积加权REV模型的计算值与相关规范的规范值进行对比分析。结果表明,精细体积加权REV模型的计算值与规范值相比,最大偏差为+13.4%,最小偏差为+0.594%;试验值与规范值相比,最大偏差为+20.3%,最小偏差为+14.5%。计算值相对于规范值的偏差比试验值相对于规范值的偏差小,因此本文建立模型具有可实用性。以寒区砂土为例,在标准大气压101.325 k Pa、温度为0℃的条件下,进行了数值计算分析。讨论了冻土导热系数与相关参数(孔隙率、含水率、含冰率和迂曲度等)的变化特性。结果表明,随着含水率、含冰率和迂曲度的增大,导热系数增大;随着孔隙率和孔隙通道分布系数的增大,导热系数减小。本文所建模型,对分析非饱和土壤导热特性,有所完善和发展。


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