永冻土地区环境温度变化对机场跑道承载力影响研究

发布时间：2020-11-21 17:17

　　 当前正处于民航大发展的阶段,未来民航业将进入黄金时期。由于气候等原因,永冻土区多属于欠发展地区,机场作为一种交通运输类工程可以架起人们沟通的空中桥梁。永冻土区跑道建设难点在于冻土性质不稳定,受温度影响而产生波动。而外界环境温度正发生着变化,气候变暖已成为人类的共识。永冻土的分布与环境温度密切相关,年均气温值能间接代表纬度等地理因素对冻土的影响。因此本文借助数值仿真软件,在环境温度变化的大背景下,对未来冻土退化所造成的跑道承载力变化进行研究。所做主要工作和成果如下:1、基于水热耦合理论,建立永冻土区跑道地温场计算模型。对跑道下部地温一年内的逐月变化规律和30年内的逐年变化规律进行研究。分析采用换填土措施、碎石措施、隔热板措施时的地温变化规律,对比组合措施与单一措施的降温效果。2、建立考虑飞机荷载作用的简化静力模型,研究地温分布非线性对道面变形的影响。对跑道一年内的逐月变形和30年内的逐年变形进行研究。并对换填土措施、碎石措施、隔热板措施对变形的影响进行分析。发现隔热板的低强度会增大道面变形。3、借助渗流-应力耦合分析模块,建立永冻土区跑道融沉变形模型。发现年均气温的高低会影响冻土土基的融化深度,融化深度影响跑道融沉变形大小。冻胀率和线膨胀系数之间存在联系,借助二次开发建立冻胀计算模型,对不同年均气温下的冻胀变形进行模拟。4、对高纬度永冻土区进行针对研究。改变土体传热参数,重新计算地温分布,以年均地温作为热稳定性评价指标,该区跑道下部土体年均地温20年后在-1.5℃之上,冻土退化较快。建立最大位移和已知土体回弹模量的关系,以基顶反应模量作为静力评定指标。分别进行冻胀和融沉变形计算,结果表明冻融变形大于静力变形。
【学位单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V351.11
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景和意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 冻土温度场研究现状
        1.2.2 冻土变形研究现状
        1.2.3 冻土区机场工程研究现状
    1.3 本文研究的主要内容
    1.4 技术路线
第二章 高纬度永冻土区机场工程面对的问题
    2.1 冻土分布特点分析
    2.2 冻土退化现状研究
    2.3 冻土冻胀融沉病害
    2.4 冻土处理应对措施
    2.5 本章小结
第三章 基于水热耦合理论的永冻土区跑道地温规律
    3.1 冻土水热耦合基本理论
        3.1.1 二维水热耦合基本方程
        3.1.2 基本假设及热学参数的确定
    3.2 附面层理论及边界条件
        3.2.1 附面层理论
        3.2.2 热学边界条件分类
    3.3 有限元基本计算模型的确定
        3.3.1 模型尺寸及土体分层
        3.3.2 土体热学参数的取值
        3.3.3 模型边界及初始条件
        3.3.4 模型建立过程
    3.4 机场跑道地温基本规律研究
        3.4.1 地温逐月变化规律
        3.4.2 地温逐年变化规律
    3.5 不同冻土处理措施下地温分布规律
        3.5.1 换填土措施下地温分布
        3.5.2 碎石措施下地温分布
        3.5.3 隔热板措施下地温分布
        3.5.4 组合措施下地温分布
    3.6 永冻土地区跑道土基热稳定性评价
        3.6.1 -3℃地区热状况
        3.6.2 -4℃地区热状况
        3.6.3 -5℃地区热状况
    3.7 本章小结
第四章 静力及冻融作用对跑道变形影响研究
    4.1 土体渗流基本理论
        4.1.1 有效应力原理
        4.1.2 土水势及其分量
        4.1.3 土体渗流控制方程
    4.2 材料本构模型
        4.2.1 线弹性模型
        4.2.2 Mohr-Coulomb模型
    4.3 静力模型的建立
        4.3.1 三维模型的建立
        4.3.2 二维模型的建立
        4.3.3 二维模型与三维模型对比
    4.4 永冻土区跑道基本变形规律
        4.4.1 跑道变形逐月变化规律
        4.4.2 跑道变形逐年变化规律
    4.5 不同冻土处理措施下跑道变形规律
        4.5.1 换填土措施变形规律
        4.5.2 碎石措施变形规律
        4.5.3 隔热板措施变形规律
    4.6 永冻土区融沉模型建立及变形分析
        4.6.1 土体渗透系数及其折减
        4.6.2 模型初始与边界条件
        4.6.3 融沉模拟计算流程
        4.6.4 模拟结果分析
    4.7 永冻土区冻胀模型建立及变形分析
        4.7.1 冻胀率及线膨胀系数
        4.7.2 模拟结果分析
    4.8 本章小结
第五章 高纬度永冻土区跑道承载力综合评定
    5.1 高纬度永冻土区土基热稳定性
        5.1.1 土体传热参数的确定
        5.1.2 岛状-稀疏岛状多年冻土亚区
        5.1.3 大片-岛状多年冻土亚区
    5.2 高纬度永冻土区跑道静力评定
        5.2.1 土体模量拟合及转换
        5.2.2 位移及模量逐月变化
        5.2.3 位移及模量逐年变化
    5.3 高纬度永冻土区跑道融沉变形
    5.4 高纬度永冻土区跑道冻胀变形
    5.5 高纬度永冻土区某地机场算例
    5.6 本章小结
第六章 结论与展望
致谢
参考文献
作者简介

【参考文献】

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本文编号：2893339