冻土地基预融技术的水热耦合分析
发布时间：2021-11-13 20:09
随着全球气候变暖,赋存在东北多年冻土区的岛状冻土存在严重的退化现象,造成地基承载力下降,引起公路的的不均匀沉降;并且由于冻土退化造成的地质灾害如滑坡、泥石流等也是屡见不鲜。结合东北年平均气温,保护冻土的原则不再适用,针对这种情况,有些学者提出针对高温冻土,可以用预先融化冻土的方法来减轻由于冻土退化所带来的灾害。冻土是一种对含水率及温度很敏感的土体,因此预融过程中对土体内部的水分场、温度场及其之间耦合作用的研究具有重要现实意义。与此同时,在判断冻土内部热量及水分迁移时常常需要用到土壤的比热容、导热系数及未冻水含量等参数,基于这种背景下,本文主要研究内容如下:（1）提出将DSC（差示扫描量热仪）运用到冻土的热分析试验中,验证了其可行性,总结出一套适用于冻土比热容测试的升降温速率及制样方法;研究了干密度及初始含水率对冻土比热容和导热系数的影响;建立了包含潜热和显热的冻土比热容计算公式。（2）利用DSC对实验过程中热流的精确记录,提出了一种新型测量未冻水的方法,并将DSC测量未冻水的试验结果与NMR（低场核磁共振）测量未冻水的试验结果对比,验证了这种方法的准确性。在此基础上建立了融化过程中未冻...
【文章来源】：东北林业大学黑龙江省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１ＤＳＣ８０００导热系数仪??
需蒸馏水的质量，将样品盒密封完用十万分之一电子天平进行称重，静置２４ｈ后供后期??试验使用。第二种方案是分别称取ｌ〇〇ｇ过完筛的干土，分别将计算好质量的水掺入土??中，均匀拌和后用保鲜膜密封好，静置２４ｈ，在后期试验中从制备完成的土样中取出一??定质量的样品加入样品盒中，密封后可以直接供后期试验使用。通过对上述两种方案制??备的土样分别进行试验研宄，第一种方案制定的样品在静置２４ｈ后，再次用电子天平称??重后发现其质量损失较多，这部分损失可以看作是水分的蒸发（样品盒的密封条件不是??很好），并且在利用第一种方案制备样品时，所制备的土样干密度通常较小，与试验目??标要求相差较远；反观用第二种方案制备的土样在静置２４ｈ后，水分损失很少且能比较??容易的控制干密度。综上所述，通过两种制样方案的对比分析，本次试验采取第二种方??案进行制样。??２．１．３．３可行性验证??差示扫描量热仪在材料热分析领域己经得到了普遍的运用，但是在岩土工程领域??不常见，而且由于样品质量特别小的缘故，其对土壤热分析研究结果的准确性还有ｌｉ考??证。考虑到以上因素，笔者在进行正式试验之前，先对差示扫描量热仪对土壤比热测量??结果的准确性进行了验证。??０．８
如图２．３所示，冻土在整个试验过程中比热容并不是固定不变的，这与我们固有的??常识有很大区别。当温度降至〇°Ｃ时，比热容的数据没有发生突变，说明土体内部的液??态水还没有发生冻结，这是土颗粒比表面能作用及土壤内部存在其他溶质共同作用产生??的现象。当温度继续降低，比热容会发生突变，达到峰值后又降低至稳定值，整个突变??的过程温度变化范围很小，这也从侧面说明土壤冻结是一个迅速的过程，与融化过程有??一定的区别（在后文中有详细介绍）。仔细观察，土样在各个含水率下产生的比热容峰??值并不遵循随初始含水率增大而增大的现象，这与冻结过程中未冻水含量的变化有关??（在本文的第三章有详细介绍）。??２．１．５冻土比热的计算方法??想要通过数学公式来求解冻土的比热，必须充分了解其内部的热量交换。根据物质??相态和该物质温度的变化特点，热量交换可分为显热和潜热两种形式［１９］。??显热：当物体吸热（或放热）仅使物体分子的热动能增加（或减少），即只让物体??温度升高（或降低），而没有改变物质的形态，则该物体所吸收（或放出）的热称为显??执??潜热：当物体吸热（或放热）仅使物质分子的热势能增加（或减少）时，则物体所??
【参考文献】：
期刊论文
[1]冻结作用下黏土中水、盐迁移试验研究[J]. 芮大虎,郭成,芦明,孟庆浩,伊藤譲. 冰川冻土. 2019(01)
[2]基于非稳态热传导的高温专用服装设计[J]. 吴蕊,孙东山,翟怡星. 无线互联科技. 2019(04)
[3]青藏高原机场跑道多年冻土地基温度场特征[J]. 戚春香,李瑶,杨简,张献民,程国勇. 交通运输工程学报. 2019(01)
[4]冻土热物理性质的统计特征及分布规律[J]. 石梁宏,李双洋,王冲,尹楠. 中南大学学报(自然科学版). 2018(12)
[5]含水率和孔隙率对导热系数的SVM预测研究[J]. 戴海,尚祥,游姗. 科学技术创新. 2018(30)
[6]基于双电层模型冻土中未冻水含量理论推演及应用[J]. 靳潇,杨文,孟宪红,雷乐乐. 岩土力学. 2019(04)
[7]冻融条件下土壤水分和速效磷垂直迁移规律[J]. 周丽丽,马世伟,米彩红,李婧楠. 水土保持研究. 2017(03)
[8]冻融过程中未冻水含量及冻结温度的试验研究[J]. 路建国,张明义,张熙胤,晏忠瑞. 岩石力学与工程学报. 2017(07)
[9]土在冻结过程中的温度场研究[J]. 王凯,李顺群,夏锦红. 土工基础. 2017(01)
[10]含水率对土壤热物性参数影响的试验研究[J]. 皇甫红旺,晋华. 节水灌溉. 2016(10)
博士论文
[1]冻融循环作用下土体水热变化特性及滞回机理研究[D]. 王冲.兰州大学 2018
[2]冻融作用对大兴安岭多年冻土区泥炭地土壤有机碳的影响研究[D]. 王娇月.中国科学院研究生院（东北地理与农业生态研究所） 2014
[3]非稳态条件下多相多孔纤维材料热传递性能分析[D]. 田明伟.东华大学 2012
[4]高海拔寒区隧道冻胀机理及其保温技术研究[D]. 谭贤君.中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所） 2010
[5]北方季节性冻土的冻融规律分析及水文特性模拟[D]. 王晓巍.东北农业大学 2010
硕士论文
[1]冻/融过程中内蒙古东北部典型土体导热系数的试验研究[D]. 杨宗维.内蒙古大学 2018
[2]土壤冻融过程未冻水滞后效应实验、模型及机理分析研究[D]. 石翔友.中国矿业大学 2018
[3]基于低场NMR的胡萝卜干燥过程水分状态及其分布的研究[D]. 祝树森.南昌航空大学 2012
本文编号：3493640
【文章来源】：东北林业大学黑龙江省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１ＤＳＣ８０００导热系数仪??
需蒸馏水的质量，将样品盒密封完用十万分之一电子天平进行称重，静置２４ｈ后供后期??试验使用。第二种方案是分别称取ｌ〇〇ｇ过完筛的干土，分别将计算好质量的水掺入土??中，均匀拌和后用保鲜膜密封好，静置２４ｈ，在后期试验中从制备完成的土样中取出一??定质量的样品加入样品盒中，密封后可以直接供后期试验使用。通过对上述两种方案制??备的土样分别进行试验研宄，第一种方案制定的样品在静置２４ｈ后，再次用电子天平称??重后发现其质量损失较多，这部分损失可以看作是水分的蒸发（样品盒的密封条件不是??很好），并且在利用第一种方案制备样品时，所制备的土样干密度通常较小，与试验目??标要求相差较远；反观用第二种方案制备的土样在静置２４ｈ后，水分损失很少且能比较??容易的控制干密度。综上所述，通过两种制样方案的对比分析，本次试验采取第二种方??案进行制样。??２．１．３．３可行性验证??差示扫描量热仪在材料热分析领域己经得到了普遍的运用，但是在岩土工程领域??不常见，而且由于样品质量特别小的缘故，其对土壤热分析研究结果的准确性还有ｌｉ考??证。考虑到以上因素，笔者在进行正式试验之前，先对差示扫描量热仪对土壤比热测量??结果的准确性进行了验证。??０．８
如图２．３所示，冻土在整个试验过程中比热容并不是固定不变的，这与我们固有的??常识有很大区别。当温度降至〇°Ｃ时，比热容的数据没有发生突变，说明土体内部的液??态水还没有发生冻结，这是土颗粒比表面能作用及土壤内部存在其他溶质共同作用产生??的现象。当温度继续降低，比热容会发生突变，达到峰值后又降低至稳定值，整个突变??的过程温度变化范围很小，这也从侧面说明土壤冻结是一个迅速的过程，与融化过程有??一定的区别（在后文中有详细介绍）。仔细观察，土样在各个含水率下产生的比热容峰??值并不遵循随初始含水率增大而增大的现象，这与冻结过程中未冻水含量的变化有关??（在本文的第三章有详细介绍）。??２．１．５冻土比热的计算方法??想要通过数学公式来求解冻土的比热，必须充分了解其内部的热量交换。根据物质??相态和该物质温度的变化特点，热量交换可分为显热和潜热两种形式［１９］。??显热：当物体吸热（或放热）仅使物体分子的热动能增加（或减少），即只让物体??温度升高（或降低），而没有改变物质的形态，则该物体所吸收（或放出）的热称为显??执??潜热：当物体吸热（或放热）仅使物质分子的热势能增加（或减少）时，则物体所??
【参考文献】：
期刊论文
[1]冻结作用下黏土中水、盐迁移试验研究[J]. 芮大虎,郭成,芦明,孟庆浩,伊藤譲. 冰川冻土. 2019(01)
[2]基于非稳态热传导的高温专用服装设计[J]. 吴蕊,孙东山,翟怡星. 无线互联科技. 2019(04)
[3]青藏高原机场跑道多年冻土地基温度场特征[J]. 戚春香,李瑶,杨简,张献民,程国勇. 交通运输工程学报. 2019(01)
[4]冻土热物理性质的统计特征及分布规律[J]. 石梁宏,李双洋,王冲,尹楠. 中南大学学报(自然科学版). 2018(12)
[5]含水率和孔隙率对导热系数的SVM预测研究[J]. 戴海,尚祥,游姗. 科学技术创新. 2018(30)
[6]基于双电层模型冻土中未冻水含量理论推演及应用[J]. 靳潇,杨文,孟宪红,雷乐乐. 岩土力学. 2019(04)
[7]冻融条件下土壤水分和速效磷垂直迁移规律[J]. 周丽丽,马世伟,米彩红,李婧楠. 水土保持研究. 2017(03)
[8]冻融过程中未冻水含量及冻结温度的试验研究[J]. 路建国,张明义,张熙胤,晏忠瑞. 岩石力学与工程学报. 2017(07)
[9]土在冻结过程中的温度场研究[J]. 王凯,李顺群,夏锦红. 土工基础. 2017(01)
[10]含水率对土壤热物性参数影响的试验研究[J]. 皇甫红旺,晋华. 节水灌溉. 2016(10)
博士论文
[1]冻融循环作用下土体水热变化特性及滞回机理研究[D]. 王冲.兰州大学 2018
[2]冻融作用对大兴安岭多年冻土区泥炭地土壤有机碳的影响研究[D]. 王娇月.中国科学院研究生院（东北地理与农业生态研究所） 2014
[3]非稳态条件下多相多孔纤维材料热传递性能分析[D]. 田明伟.东华大学 2012
[4]高海拔寒区隧道冻胀机理及其保温技术研究[D]. 谭贤君.中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所） 2010
[5]北方季节性冻土的冻融规律分析及水文特性模拟[D]. 王晓巍.东北农业大学 2010
硕士论文
[1]冻/融过程中内蒙古东北部典型土体导热系数的试验研究[D]. 杨宗维.内蒙古大学 2018
[2]土壤冻融过程未冻水滞后效应实验、模型及机理分析研究[D]. 石翔友.中国矿业大学 2018
[3]基于低场NMR的胡萝卜干燥过程水分状态及其分布的研究[D]. 祝树森.南昌航空大学 2012
本文编号：3493640
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