季冻区渠道边坡水、热、变形耦合冻胀模型研究

发布时间：2017-10-09 16:00

  本文关键词：季冻区渠道边坡水、热、变形耦合冻胀模型研究

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【摘要】：在季节性冻土区,水利工程的冻胀破坏问题一直是人们关注的话题。在黑龙江省,随着旱改水田数量的巨增,北引干渠冻融破坏问题对农业与工业生产的影响日显突出。本文通过理论分析建立了渠道边坡水-热-变形耦合的数学模型;通过室内冻胀试验研究,分析了土体含水量和干密度对土体冻胀的影响规律,并用统计软件SAS进行了回归分析,建立了封闭系统下的冻胀预报回归模型,并通过室内模型试验模拟了渠道边坡的冻融变形特征;最后用多物理场耦合软件Comsol对渠道边坡的水-热-变形问题进行了数值模拟分析,得到以下结论:(1)土体的冻胀变形受水分和干密度影响较大。当含水率为20%~24%,密度为1.50g/cm3~1.60g/cm3时,土体冻胀随着含水量和干密度的增加而增大,且受含水量的影响较大。(2)渠基土冻融过程中单向冻结、双向融化,符合野外土体冻融过程。渠基土在冻融过程中发生了明显的水分迁移,临近渠道表面水分迁移明显,越接近底板水分迁移量越小,最后几乎为零。(3)渠基土冻结过程中发生了较大的冻胀变形。在试验开始时温度下降较快,水分迁移量小或者还没有迁移,渠基土发生了冻缩现象。随着温度的继续降低,水分不断向冻结锋面迁移并冻结成冰,土体开始冻胀,渠道边坡不同部位冻胀量不同,冻胀量大小依次为渠底渠顶1/7坡高固脚3/4坡高1/3坡高1/2坡高。温度开始升高后,冰融化成水体积减小,产生融沉,由于产生的冻胀量比融沉量大,产生了残余变形。(4)用多物理场耦合软件Comsol进行对渠道进行数值模拟,模拟的水分场、温度场和变形场符合自然规律,可以用于工程实践活动中对冻胀问题的预测预报。
【关键词】：季冻区 渠道边坡 水-热-变形耦合 冻胀 数值模拟
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV698.26
【目录】：

• 摘要8-9
• 英文摘要9-11
• 1 绪论11-16
• 1.1 研究背景及目的意义11-13
• 1.1.1 研究背景11-12
• 1.1.2 研究目的意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-15
• 1.2.1 冻胀理论模型数值研究现状13-14
• 1.2.2 耦合模型研究现状14-15
• 1.3 研究的主要内容及技术路线15-16
• 2 冻土水、热、变形耦合理论16-27
• 2.1 冻土的相变温度场16-17
• 2.1.1 相变温度场分析16
• 2.1.2 冻土相变温度场的基本方程16-17
• 2.2 冻土的水分场17-22
• 2.2.1 正冻土中的水分重分布17-18
• 2.2.2 冻土中的未冻水含量18-19
• 2.2.3 影响水分迁移的主要因素19-20
• 2.2.4 水分迁移的原动力理论及土水势20-22
• 2.2.5 冻土水分场基本方程22
• 2.3 冻土的冻胀变形22-24
• 2.3.1 冻土水、热、变形三场耦合关系23
• 2.3.2 冻土变形场基本方程23-24
• 2.4 冻土水、热、变形三场耦合的数学模型24-27
• 2.4.1 基本假定24
• 2.4.2 基本方程24-25
• 2.4.3 模型的耦合25
• 2.4.4 变形场方程25-27
• 3 冻胀模型试验研究27-37
• 3.1 试验仪器27-29
• 3.1.1 土工冻胀试验机27
• 3.1.2 模具27-28
• 3.1.3 数据采集器28
• 3.1.4 温度传感器和位移传感器28-29
• 3.2 试验方案设计29-31
• 3.2.1 土的基本参数29
• 3.2.2 含水量的确定29-30
• 3.2.3 密度的确定30
• 3.2.4 温度控制方案30
• 3.2.5 试验方案布置30-31
• 3.3 试验方法与步骤31-32
• 3.3.1 试样制备31
• 3.3.2 试验步骤31-32
• 3.4 试验结果分析32-35
• 3.4.1 试样冻结过程的温度场分析32-34
• 3.4.2 冻胀量分析34-35
• 3.5 冻胀预报回归模型的建立35-37
• 4 室内冻融模型试验37-51
• 4.1 冻土模型试验相似理论的研究37-39
• 4.1.1 导数替换准则的证明37-38
• 4.1.2 相似准则推导38-39
• 4.2 渠道室内模型试验39-51
• 4.2.1 模型试验相似比尺及几何尺寸的确定39-40
• 4.2.2 试验装置及设备40-41
• 4.2.3 模型布置41-42
• 4.2.4 模型制作42-44
• 4.2.5 温度制度设计44-46
• 4.2.6 试验结果分析46-51
• 5 渠道边坡水、热、变形耦合冻胀数值模拟51-59
• 5.1 Comsol软件介绍51
• 5.2 渠道模型概况51-52
• 5.3 有限元模型及参数选取52-53
• 5.4 边界条件及初始条件的确定53-54
• 5.5 数值模拟结果分析54-59
• 5.5.1 温度场分析54-56
• 5.5.2 水分场分析56-58
• 5.5.3 变形场分析58-59
• 6 结论与展望59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-65
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文65

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本文编号：1001077