季冻区新型路基冷阻层抗冻性及温度场模拟分析

发布时间：2017-03-26 11:09

  本文关键词：季冻区新型路基冷阻层抗冻性及温度场模拟分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：季冻区道路冻害是季冻区道路养护的重要难题,随着季节的变化,道路路基经历冻融循环,其温度场处于不稳定状态,而温度的剧烈变化往往会导致路基中水分的迁移和冻结,影响了道路的正常运营和使用。在分析季冻区道路冻害的冻害机理及防治措施的基础上,本文提出使用橡胶颗粒改良粉煤灰土+XPS保温板的组合结构作为道路路基的新型冷阻层,旨在通过冷阻层的设置阻隔冷量对道路路基的侵蚀,缓解路基内水分的冻结状况,改善季冻区道路路基温度场。本文从冷阻层材料的热参数和室外保温试验两个方面来评价冷阻层的抗冻性和保温效果,并采用ANSYS有限元模拟软件对温度场进行分析,具体内容如下:(1)为了解新型冷阻层中橡胶颗粒改良粉煤灰土的冻结特性,测定了路基填土材料的冻结曲线,确定了包括粉质黏土和橡胶颗粒改良粉煤灰土的冻结温度和未冻水含量的近似表达函数,并对试验结果进行了分析。(2)考虑到路基材料冻融过程中液态水和固态水存在的形式,结合未冻水含量的表达函数,确定修正了新型路基填土材料和XPS保温板的正温度和负温度下的导热系数和比热容等热参数,并进行了材料的抗冻性评价。(3)对新型路基冷阻层结构进行了短期和长期的室外温度试验,就粉质黏土、XPS板及新型冷阻层结构的各自的保温效果进行了评价和比较。(4)利用ANSYS有限元模拟软件对短期和长期室外温度试验分别进行了模拟,并与室外实测试验的结果进行了比较。在此基础上,模拟了新型路基冷阻层结构在实际道路的应用,并就结果中显示的保温效果进行评价。研究表明,橡胶颗粒改良粉煤灰土的冻结温度、未冻水含量、导热系数和比热容等热参数均不同于粉质黏土,从抗冻性和实际保温效果来看,改良土的性能优于粉质黏土。室外模型温度试验表明橡胶颗粒改良粉煤灰土+XPS的冷阻层的隔温效果良好,可以有效地减少冷能量对保温层下方土体的侵入。ANSYS有限元软件的模拟分析表明,新型路基冷阻层缓解改善了路基的温度场,起到了保温隔热的作用。
【关键词】：新型路基冷阻层 材料热参数 室外保温试验 抗冻隔热效果 有限元分析
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U416.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-14
• 常用符号、缩略词及专业术语注释表14-15
• 第1章 绪论15-25
• 1.1 研究背景及意义15-16
• 1.2 道路冻胀冻害调查16-17
• 1.3 国内外研究现状17-22
• 1.3.1 冻土的冻胀研究17-18
• 1.3.2 路基保温法的应用及有限元评价18-20
• 1.3.3 冻结温度的测定方法20-22
• 1.4 本文研究的主要内容及思路22-25
• 1.4.1 研究内容22-23
• 1.4.2 研究思路23-25
• 第2章 冷阻层抗冻机理及热学基础25-37
• 2.1 保温隔热法道路冻害防治机理25-26
• 2.2 冷阻层材料的热参数26-31
• 2.2.1 未冻水含量的确定26-27
• 2.2.2 冻结温度的测定27-29
• 2.2.3 导热系数的确定29-30
• 2.2.4 比热容的确定30-31
• 2.3 路基温度场求解原理31-36
• 2.3.1 温度分析类型31-32
• 2.3.2 控制方程32-33
• 2.3.3 相变温度场有限元计算基本方程33-34
• 2.3.4 边界条件和初始条件34-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第3章 冷阻层的热参数测定试验及抗冻性能评价37-49
• 3.1 冻结温度测定37-42
• 3.1.1 试验仪器38-39
• 3.1.2 试验材料与试件制备39-40
• 3.1.3 试验过程40-41
• 3.1.4 试验结果及分析41-42
• 3.2 未冻结水含量的确定42-44
• 3.2.1 确定方法原理42-43
• 3.2.2 未冻水确定43
• 3.2.3 结果分析及评价43-44
• 3.3 导热系数的确定44-46
• 3.3.1 导热系数的确定方法44-45
• 3.3.2 冻融下的导热系数45-46
• 3.3.3 结果分析及评价46
• 3.4 比热容的确定46-48
• 3.4.1 比热容的确定方法46
• 3.4.2 冻结融化状态下的比热容46-48
• 3.4.3 结果分析及评价48
• 3.5 冷阻层热参数的抗冻性评价48
• 3.6 本章小结48-49
• 第4章 新型冷阻层的室外保温试验49-59
• 4.1 室外冷阻保温试验准备工作49-50
• 4.1.1 试验材料49
• 4.1.2 数据采集仪器49
• 4.1.3 试验试件的制备49-50
• 4.2 试验过程50-52
• 4.3 试验结果及分析52-57
• 4.3.1 试验结果52-54
• 4.3.2 结果分析54-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第5章 新型冷阻层温度场有限元分析59-73
• 5.1 室外保温试验的有限元模拟59-64
• 5.1.1 有限元模型的建立59-60
• 5.1.2 材料属性60-63
• 5.1.3 边界条件及初始条件63-64
• 5.2 室外保温试验模拟结果及分析64-67
• 5.2.1 短期室外试验的模拟结果64-65
• 5.2.2 长期室外试验的模拟结果65-67
• 5.3 室外保温试验和有限元模拟结果的对比67-68
• 5.4 实际道路有限元温度场的模拟68-71
• 5.5 本章小结71-73
• 第6章 结论与展望73-75
• 6.1 结论73-74
• 6.2 不足及展望74-75
• 参考文献75-79
• 附录 179-81
• 附录 281-85
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果85-86
• 致谢86

【参考文献】

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本文编号：268708