土体冻结水热力耦合理论研究及应用

【摘要】：冻土工程中土体冻结往往会导致寒区路基的破坏以及深部立井冻结管断裂等问题。在冻结过程中土体发生了热量传递、孔隙水迁移相变、变形破坏等现象,而水分的迁移受到土体孔隙结构特性的影响。因此,结合土体结构特性建立土体冻结的多场耦合理论模型,准确揭示冻结过程中水分的迁移规律,具有重要科学意义和工程价值。为此,本文针对土体冻结问题,综合运用了实验测试、理论分析、数值模拟研究方法,深入探讨了土体冻结过程中的水热力耦合机理,建立了基于分凝冰准则的水热力耦合模型和双重孔隙介质水热力耦合模型,旨在为冻土工程提供更好的理论指导,通过本文的研究取得了以下成果:(1)对土样进行了不同冻结温度下的冻结实验,并对冻结后的土样进行压汞实验测试和扫描电子显微镜测试。实验结果显示:冻结温度越低,冻结后黏土的孔隙度越高;冻结黏土的孔隙结构呈现出双重孔隙分布的特点,并且冻结温度的降低,对黏土的这一孔隙特征有促进作用,同时孔隙分形维数也越大;冻结温度的降低使得黏土团聚体内部相互胶结的微颗粒相互分离,团聚体内部孔隙更加丰富。(2)依据孔隙冰压力准则建立了新的分凝冰的形成判据,构建了基于土体分凝冰判据的水热力耦合冻结理论模型,并通过对比实验结果和计算结果对模型进行了验证。利用该模型研究了土体特性参数(初始孔隙度、渗透系数、土颗粒导热系数)对冻结过程的影响规律,结果显示:土体冻结时的冻胀量随渗透性和导热性的增强而增大,最终冻结深度主要受土体两端温度影响;土体冻结速度越慢、渗透性越高,孔隙水越容易积聚,更容易导致冰透镜体的形成。(3)基于土体微观孔隙结构特性,建立了土体冻结双重孔隙介质水热力耦合模型,并通过实验结果和计算结果对比对模型进行了验证。利用该模型对立井冻结壁冻结过程进行模拟,结果显示:冻结管布置相对密集的中圈冻结管区域最先形成闭合的冻结圈,但由于没有足够的孔隙水供给,冻结后该处的含水量要低于内圈管和外圈管区域。在冻结壁形成之后随着冻结的进行其以均匀的速度增厚。冻结过程中由于水分的迁移和相变导致土体发生冻胀,冻结管发生了向外的径向位移,并且在冻结壁形成之后以缓慢的速度持续增加。(4)研究了地层参数、冻结管布置和冻结温度对冻结管受到地层剪切作用的影响规律,结果表明:冻结管剪应力随地层之间渗透率和导热系数差值的线性增加分别呈现线性增长和指数型增长规律;同时减少单圈冻结管的个数和增加布置圈径均能降低由于土层差异导致的冻结管横向剪应力。该论文有图48幅,表16个,参考文献113篇。