【摘 要】
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积雪是重要的自然资源,分布广泛,作为一种特殊的下垫面,积雪的热学性质对周围环境的影响至关重要。随着全球气候的不断变化,积雪灾害频发,同时涉雪工程需求与日俱增,均需要积雪的基本物理及力学性质的理论支持。为解决这些问题,本文于黑龙江省哈尔滨市开展了天然积雪的相关研究,探究中国东北地区季节性积雪的热特性及力学性质。分析积雪的温度、导热性质及单轴压缩性质的变化规律及相关影响因素。希望本论文能够对解决积雪相
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积雪是重要的自然资源,分布广泛,作为一种特殊的下垫面,积雪的热学性质对周围环境的影响至关重要。随着全球气候的不断变化,积雪灾害频发,同时涉雪工程需求与日俱增,均需要积雪的基本物理及力学性质的理论支持。为解决这些问题,本文于黑龙江省哈尔滨市开展了天然积雪的相关研究,探究中国东北地区季节性积雪的热特性及力学性质。分析积雪的温度、导热性质及单轴压缩性质的变化规律及相关影响因素。希望本论文能够对解决积雪相关问题提供参考与帮助。本文的主要内容与结论如下:(1)通过观察天然雪的晶体结构,发现哈尔滨地区降雪雪晶主要呈现复杂的枝状结构,并伴随着大量微小、形状不规则且晶体结构发育不完全的雪颗粒,初步推测哈尔滨地区的大气湿度相对较高;而观察变质作用下的积雪晶体结构,发现变质作用自降雪落地便以开始,促使雪晶体间相互融合,形成链接键,是积雪物理、力学等基本性质变化的根本因素。(2)收集天然降雪,基于不同密度(0.30g/cm~3、0.35 g/cm~3、0.40 g/cm~3、0.45 g/cm~3)下的雪温数据,分析积雪温度的变化特征,同时分析不同温度(-5°C、-10°C、-15°C、-20°C、-25°C)下,不同密度(0.35 g/cm~3、0.40 g/cm~3、0.45 g/cm~3、0.50 g/cm~3、0.55 g/cm~3、0.60 g/cm~3)的积雪导热系数的变化规律。结果发现:积雪的导热系数随密度的增加逐渐增大,且二者间存在良好的指数相关关系;积雪导热系数对温度的响应,在不同密度下呈现明显的差异,在0.40g/cm~3～0.45 g/cm~3范围下,导热系数随温度的升高而增大,在0.50 g/cm~3～0.60 g/cm~3范围下,导热系数与温度的相关性较弱;温度观测期间,积雪温度与气温变化趋势一致,且均小于0℃,在一天的不同时段,表面雪层会出现明显的冷暖中心,浅层0～20 cm的雪层温度变化剧烈,雪层温度变化幅度自雪面向下逐渐减小,雪温振幅与积雪深度之间存在良好的负指数相关关系。深层雪温到达极值的时间要稍滞后于表面雪层。在相同深度的雪层中,雪层温度随密度的增加存在减小的趋势。(3)对天然雪在不同温度(-5°C、-10°C、-15°C和-25°C)、不同加载速率(1 mm/min～300mm/min)以及不同密度(0.35 g/cm~3、0.40 g/cm~3、0.45 g/cm~3、0.50 g/cm~3、0.55 g/cm~3、0.60 g/cm~3)下进行单轴压缩试验。结果发现:雪随加载速率的变化存在塑性和脆性破坏两种破坏形式,两种破坏形式之间的临界加载速率在10mm/min～30mm/min的范围之内;随着加载速率的增加,单轴抗压强度先增大后减小,且达到极限抗压强度时的加载速率在10 mm/min～30 mm/min之间;单轴抗压强度随密度的增大而增大,极限单轴抗压强度与密度存在良好的线性增长关系,试验所达到的最大抗压强度为1.68 MPa;雪单轴抗压强度会随着温度的降低逐渐增大,但在低加载速率及高密度下表现得更加明显,加载速率和密度是影响雪单轴抗压强度的关键;雪的变质老化也会影响雪的抗压强度,经过90天的变质作用后,0.5g/cm~3、0.45g/cm~3两组试样,强度分别降低了45.1%和49.3%;通过观察压缩后的雪晶体结构,发现雪晶体间的链接键的变化,是引起雪力学性质变化的根本原因。
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