附面层参数标定及冻土路基水热稳定数值模拟方法初探

发布时间：2017-04-22 23:02

  本文关键词：附面层参数标定及冻土路基水热稳定数值模拟方法初探，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国冻土主要分布于中北部地区及青藏高原地区。近年来,冻土区高速公路和铁路的修建步伐很快,其中由于冻土易受温度影响的工程特性,冻土区路基的冻胀融沉等病害问题非常突出。水热耦合数值分析是预估和研究冻土路基稳定性的重要手段。在寒区路基温度场和水分场的长期模拟中,地表热边界常基于“附面层原理”确定,即假设一定深度(附面层厚度)的土体温度函数等于大气日平均温度函数加上一个温度增量,以该温度函数作为地表热边界条件。目前,附面层厚度和温度增量一般通过实际观测值回归分析得到,缺乏相应的理论研究和参数确定方法。另外冻土水热耦合模拟是一个复杂的问题,尚没有成熟公认的模型。本研究针对冻土路基上部热边界问题和水热耦合模型开展研究,主要完成了以下内容：(1)通过解析分析,提出了附面层厚度选取标准,通过理论分析建立附面层厚度的确定方法；通过数值模拟,分析了太阳辐射、路面结构和环境等因素对附面层底部温度增量的影响,建立了温度增量的计算公式和设计图表；(2)针对寒区典型道路结构,给出了附面层厚度取值范围和温度增量的计算方法；(3)建立了路基水热耦合计算控制方程,并通过COMSOL软件二次开发实现了路基冻胀融沉问题的水热耦合计算；(4)将附面层理论及水热耦合方法应用于哈大高铁路基冻胀问题,分析了寒区级配碎石高铁路基的冻胀病害机理。本文的研究能够为冻土路基长期行为模拟给出更精确的附面层参数,为冻胀融沉模拟提供了一个可行的方法,这些成果能够为冻土路基冻胀融沉的精确数值模拟计算夯实基础,有望应用于工程实践。
【关键词】：冻土 冻胀 附面层理论 水热耦合 路基稳定性
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U213.1;U416.1
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 研究背景及意义12-14
• 1.2 研究现状14-20
• 1.2.1 冻土路基温度场理论研究14-15
• 1.2.2 冻土路基温度场数值模拟研究15-18
• 1.2.3 冻土路基温度场室内试验研究18-19
• 1.2.4 冻土路基温度场现场观测研究19-20
• 1.3 研究内容及技术路线20-21
• 1.4 创新点21-22
• 2 路基温度场长期模拟中的地表热边界条件22-36
• 2.1 附面层解析分析22-25
• 2.1.1 附面层原理及附面层厚度定义22-23
• 2.1.2 附面层的主要影响因素23-24
• 2.1.3 附面层热传导微分方程24
• 2.1.4 周期性边界条件下的一维热传导问题解析解24
• 2.1.5 层状路基热传导衰减指数及等效热扩散率计算24-25
• 2.2 附面层厚度计算25-26
• 2.2.1 附面层厚度计算25-26
• 2.2.2 附面层厚度影响分析26
• 2.3 一维层状路基热传导问题数值模型26-28
• 2.3.1 数值模型26-27
• 2.3.2 边界条件27-28
• 2.4 路基温度场日变化反演分析28-29
• 2.4.1 材料参数与气象参数28
• 2.4.2 边界条件参数28
• 2.4.3 模拟结果分析28-29
• 2.5 温度增量影响分析29-33
• 2.5.1 太阳有效辐射影响30
• 2.5.2 路面热辐射影响30-31
• 2.5.3 空气对流影响31-32
• 2.5.4 路面结构影响32
• 2.5.5 温度增量确定方法32-33
• 2.6 中长期路基温度场模拟方法总结33-34
• 2.7 结语34-36
• 3 典型道路附面层模型参数标定36-48
• 3.1 典型道路附面层厚度计算36-40
• 3.1.1 高速公路路基附面层厚度37-38
• 3.1.2 铁路路面附面层厚度38-40
• 3.2 温度增量的影响参数选取40-44
• 3.2.1 太阳总辐射计算40-42
• 3.2.2 路面吸收率42
• 3.2.3 坡面系数42-43
• 3.2.4 计算步骤43-44
• 3.3 路基温度场数值模拟案例44-47
• 3.3.1 几何模型和材料参数44
• 3.3.2 边界条件选取44-46
• 3.3.3 数值模拟结果46-47
• 3.4 小结47-48
• 4 冻土水热耦合方程及数值模拟研究48-60
• 4.1 冻土水热耦合求解微分方程组48-50
• 4.1.1 温度场控制方程48-49
• 4.1.2 水分场控制方程49
• 4.1.3 相变动态平衡关系49-50
• 4.2 基于COMSOL二次开发的水热耦合数值模型50-52
• 4.3 数值模型验证52-55
• 4.3.1 融化试验模拟及分析52-53
• 4.3.2 冻结试验模拟及分析53-54
• 4.3.3 结论54-55
• 4.4 多年冻土区路基水热耦合模拟55-58
• 4.4.1 几何模型及物理参数55
• 4.4.2 边界条件和模拟过程55-56
• 4.4.3 模拟结果及分析56-58
• 4.5 结论58-60
• 5 哈大高铁路基水热耦合模拟及冻胀分析60-74
• 5.1 哈大高铁工况介绍60-62
• 5.2 路基水分场和温度场耦合模拟62-68
• 5.2.1 数值模型及材料参数62-64
• 5.2.2 边界条件和物理场设定64-65
• 5.2.3 模拟结果及分析65-68
• 5.3 路基基床冻胀模拟及分析68-72
• 5.3.1 路基冻胀变形模型选取68
• 5.3.2 路基冻胀数值模型建立68-70
• 5.3.3 路基冻胀变形模拟结果及分析70-72
• 5.4 结论72-74
• 6 总结与展望74-76
• 6.1 论文的主要工作和研究成果74
• 6.2 论文研究的不足与展望74-76
• 参考文献76-80
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果80-84
• 学位论文数据集84

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 别小勇,周国庆,赵光思,刘志强;采控冷量维护冻土路基仿真系统的开发[J];低温建筑技术;2004年05期

2 马跃锋,马影毅;青藏铁路冻土路基防融化技术的探讨[J];隧道建设;2004年04期

3 侯曙光,黄晓明,汪双杰;基于相空间重构的冻土路基温度场分形特征分析[J];公路交通科技;2005年07期

4 刘志强,马巍,周国庆,牛富俊,段全江,王建洲,赵光思;纵向布管调控冻土路基温度场的模拟试验研究[J];岩石力学与工程学报;2005年11期

5 李宁;徐彬;陈飞熊;;冻土路基温度场、变形场和应力场的耦合分析[J];中国公路学报;2006年03期

6 柯成刚;梁开东;;冻土路基温度场有限元分析[J];中国西部科技(学术);2007年11期

7 王金良;周湘江;;热管耦合冻土路基的数值传热算法对比分析研究[J];大众科技;2008年07期

8 冯广利;;青藏铁路运营期间冻土路基裂缝问题研究[J];科技情报开发与经济;2009年11期

9 李凯;孙可明;吴迪;;热流固耦合作用下冻土路基变形规律研究[J];科学技术与工程;2009年24期

10 林文佳;;柴木铁路冻土路基工程措施效果实测分析[J];山西建筑;2010年10期

中国重要会议论文全文数据库 前4条

1 章金钊;李祝龙;武民;;冻土路基稳定性主要影响因素探讨[A];第一届全国公路科技创新高层论坛论文集公路设计与施工卷[C];2002年

2 陈飞熊;李宁;宋战平;;青康公路冻土路基变形、强度特性的数值试验研究[A];第15届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅱ册）[C];2006年

3 曹元平;曹立;;应用于青藏铁路冻土路基的热棒效用分析[A];推进铁路新跨越加快经济大发展——中国科协2004年学术年会铁道分会场论文集[C];2004年

4 叶阳升;;青藏铁路高原冻土路基的关键技术问题[A];中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集（上册）[C];2003年

中国重要报纸全文数据库 前3条

1 王进东 王朝霞;解决青藏铁路冻土路基病害有良方[N];甘肃日报;2003年

2 王立武 曹伟宏;高原上的挑战者[N];中国铁道建筑报;2003年

3 秦纪民;创新能力大幅提高取得一批重大成果[N];人民政协报;2004年

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 祁长青;青藏铁路冻土路基温度场随机有限元分析与变形可靠性研究[D];南京大学;2005年

2 严学斌;青藏铁路五道梁冻土路基稳定性评价方法研究[D];北京交通大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前9条

1 柳波;多年冻土地区公路路基不稳定变形研究[D];长安大学;2015年

2 白青波;附面层参数标定及冻土路基水热稳定数值模拟方法初探[D];北京交通大学;2016年

3 古海东;轨道交通荷载作用下冻土路基的动力反应分析[D];哈尔滨工业大学;2009年

4 刘慧;青藏铁路冻土路基变形规律研究[D];西南交通大学;2011年

5 任少博;水热变化对冻土路基变形稳定性的影响研究[D];长安大学;2013年

6 凌思德;水分对冻土路基变形的影响及排水对策研究[D];长安大学;2013年

7 于洋;冻土路基列车行驶振动反应研究[D];哈尔滨工业大学;2006年

8 孙意;青藏铁路五道梁地区保护冻土路基稳定性措施研究[D];西南交通大学;2004年

9 杨永平;前嫩公路冻土路基的处理技术及沉降观测[D];哈尔滨工业大学;2012年

  本文关键词：附面层参数标定及冻土路基水热稳定数值模拟方法初探，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：321408