饱和细粒土二维冻结冻胀试验与理论研究

发布时间：2020-08-28 20:12

【摘要】：冻胀机理及其与工程结构相互作用研究一直是冻土界研究的热点和难点。目前,冻胀相关的理论分析和试验研究大多针对于不同冻胀敏感性土体在不同温度、应力等边界条件下的一维冻结问题,而冻土区实际工程中存在大量的二维冻结冻胀问题。二维冻结条件下土体冻胀发生机理、冻胀力分布性状及其与支护结构耦合作用机制与一维冻结截然不同。由于冻土物理力学性质的复杂性和工程约束环境的多样性,以一维冻结条件建立的相关理论和研究成果在解释实际工程复杂冻胀现象时具有明显的局限性。考虑工程实际条件,开展二维冻结冻胀机理及其与工程结构间耦合演化行为研究,对冻土区工程建设具有重要意义和科学价值。本文以冻土区工程涉及的二维冻结问题为背景,通过理论分析、室内试样试验和物理相似模拟试验的方法,针对饱和细颗粒土二维冻结冻胀机理、特征及其与工程结构的耦合行为开展系统研究:研制出集控温和约束双重功能的冻土二维冻结冻胀可视化试验系统;开展了系列饱和细粒土二维冻结冻胀试验;开展了深季节冻土区深基坑二维冻结冻胀模拟试验;揭示了饱和细粒土二维冻结分凝冰生长和演化机制;得到基坑支护结构二维冻结过程中冻胀力分布特征;建立了冻土二维冻结水-热-力耦合分离冰冻胀理论模型。主要研究成果如下:(1)创新研制出温度和约束边界耦合控制的冻土二维可视化冻结试验系统。系统温度控制精度±0.1℃,最低工作温度-40℃,可以实现双向温度、应力/位移边界独立控制,冻结过程实时数字照相,通过与图像分析和CT扫描技术,实现了冻土二维冻结冻胀分凝冰演化规律和分布特征的可视化精确量测。(2)进行了系列饱和细粒土二维冻结冻胀试验研究。获得了不同冻结温度两种典型饱和细粒土的二维冻结过程中温度场、水分场和变形场的变化规律,从宏、细观角度揭示了饱和细粒土二维冻胀分凝冰的形成过程、生长速率和分布性状,初步阐释了侧向约束条件下饱和颗粒土的二维冻胀机理。(3)建立了土体二维水-热-力耦合分离冰冻胀理论模型。在已建立的一维分离冰冻胀模型基础上,将分离压力的概念拓展到了二维情形,分析了二维冻结过程中的冰晶体的形成准则,初步建立了二维分离冰冻胀模型的基本理论,该理论模型能够揭示二维冻结过程中的水-热-力耦合并预测冰透镜体的发育。基于Matlab平台,编制了二维冻结过程程序,针对某正方形区域的二维冻结过程进行了数值计算,分析了二维冻结过程中温度场、等效水压力场和位移场的变化规律。(4)开展了冻土区深基坑工程二维冻结相似模拟试验。以典型冻土区基坑工程为背景,试验获得了不同冻结温度和工程约束模式的二维冻结温度梯度、水分迁移和应力场的分布状态,分析了二维冻结条件下基坑桩锚支护和地连墙支护两种支护体系冻胀力大小、分布及随时间的发展规律。(5)综合理论模型、室内试验和物理模拟试验结果,分析了饱和细粒土二维冻结温度场演化、水分重分布及其与工程环境间的耦合特征和非线性演化行为,初步揭示了饱和细粒土二维冻结特性和内在物理机制。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU445
【图文】：

1 绪论论troduction题的提出（Statement of Problem）国是世界上第三冻土大国，其中季节性冻土分布面积 513.7 万平国土面积 53.5%；多年冻土分布面积 206.8 万平方公里，占我国国%，两者合计约占我国国土总面积的 75%[1]。如图 1-1 所示，我国布于长江流域以北的广阔区域，季节冻结深度在黑龙江省南部、内地区可超过 3 米。我国多年冻土主要分布在东北大小兴安岭和青藏东北地区多年冻土位于欧亚大陆南缘，为高纬度冻土区；青藏高原球唯一的高海拔、集中连片分布，平均海拔超过 4000 米。

用关系：冻结时水相变成冰释放大量潜热，对于饱和的细颗粒冻结区迁移，从而引起土体温度场和水分场的重分布；温度场着土体冻结状态，水结冰膨胀进而引起应力和位移场变化；应反之也必将导致土体水分场和温度场再变化。因此建立科学合胀模型，是深入认识土体冻胀规律，开展冻胀控制理论与工程关键[12,13]。冻胀相关的理论分析和试验研究大多针对于不同土性在不同温一维冻结问题，而考虑多年或季节性冻土区基坑、边坡、道路条件，不难发现，其中存在大量的土体双向冻结，即二维冻结示，简要描述了季节性冻土区越冬基坑工程的冻结条件，以往护结构的开挖面或地面考虑为一维冻结条件是合理的，但对于邻近土体而言是典型的双向冻结过程（对外界热交换包括基坑面），与单向热交换不同，二维冻结条件下土体冻胀机理、冻与支护结构相互作用机制必然发生变化，不考虑土体冻胀影响结冻胀成果势必给实际工程安全埋下隐患。

(c)冻土区路基水沟冻胀纵向开裂[15](d)某渠道坡面因冻胀整体下滑[16]图 1-3 实际工程二维冻胀病害示例Figure 1-3 Examples of 2-D frost heave damage in practical engineering本文即以此为出发点，针对二维条件下土体冻结冻胀特性开展系统的室内试验和理论分析研究，以期在现有一维冻结研究基础上，通过室内试样和相似模拟试验研究不同土性、温度和载荷边界条件下饱和冻土二维冻胀分凝冰生长、分布性状及水分迁移规律，研究不同水分补给和约束特性等工程条件下支护结构所受二维冻胀力大小及分布特征，建立二维水热力耦合分离冰冻胀模型，为冻土区工程建设安全提供保证。研究成果对于指导冻土区实际工程的设计、施工、维护和治理具有重要的科学价值和现实意义。1.3 国内外研究现状（Research Status at Home and Abroad）1.3.1 冻胀理论模型研究为解决实际工程中的冻胀问题，国内外学者先后提出了水热耦合模型、分凝势模型、水热力耦合模型等冻胀理论模型[17]。[18]

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本文编号：2808094