论文部分内容阅读
我国是一个冻土大国,在世界四大冻土国中位居第三,冻土主要分布于东北、内蒙大部地区与新疆、青海、西藏部分地区。随着我国多年冻土区与季节冻土区普通铁路、高速铁路、快速客运专线、高速公路等建设日益加快,冻害及其防控引起广泛关注。目前,季节冻土区发现大范围膨胀土场地,但是针对寒区膨胀土冻胀特性的研究报道尚且不多。冻土的冻胀变形发展主要受气候条件和地下水条件影响,较难预估其变形大小,有必要研究温度、补水条件等冻胀敏感性因素对变形的影响,为减小冻胀对土工构筑物的危害提供理论依据。本文开展了延吉膨胀土基本物理性质试验、自由膨胀率试验、土水特征曲线试验和冻胀特性试验等试验,重点研究了膨胀土冻胀特性及各因素的影响,基于水-热耦合理论研究了冻胀变形的计算方法。这项工作将有助于分析冻土中的传热、传质规律,预测冻土在不同边值条件下的变形,为冻胀量预测与防冻害提供一定参考。主要研究工作及重要成果如下:首先,通过物理性质试验,获得膨胀土基本物性指标;利用自主研制的冻融循环试验仪FTT1,对饱和与非饱和土分别开展了不同温度梯度、初始含水率和压实度下的冻胀特性试验,得到温度条件是影响开放系统下温度场、水分场以及变形的主要因素之一。试验稳定后,温度沿试样高度近似呈线性分布,冻胀变形主要由分凝冰引起,主要形成于冻结缘冷端。其次,基于质量守恒、能量守恒等基本定律,在微元体层面建立冻土的水-热耦合控制方程组,包括能量守恒方程、质量守恒方程和联系方程,通过有限元分析软件建立饱和土的水-热耦合数值模型,考虑水分迁移和热传导之间的耦合作用,将模拟结果与试验结果对比,验证了模型的正确性。最后,基于分凝势理论,分析温度场各参数对水分迁移速率的影响,讨论冻结缘吸力与温度条件的关系,引入冻结缘吸力描述开放系统下的补水速率,分析了冻深、冻结速率和冷端温度对水分迁移速率的影响,将冻胀变形区分为原位冻胀和迁移冻胀两部分,迁移冻胀占冻胀变形的主要部分,计算结果与试验结果吻合较好。