季冻区渠道土质边坡冻融条件下水热耦合分析

发布时间：2020-03-18 05:02

【摘要】：本文试验所用土样取自“北引”乌南54 km段试验段现场,在土体冻融损伤试验基础上,以时间比尺1:225的前提下,通过低温环境模拟试验箱内边坡模型试验,完成重塑土边坡的规范在一定温度模式下冻融循环试验。选取边坡坡顶、坡中、3/4 H坡体、1/3 H坡体在冻前、最大冻深以及融化后温度以及水分变化进行分析。并利用COMSOL建立相同尺寸边坡模型进行数值数值模拟,通过对季冻区渠道土质边坡冻融—渗流作用下温度场水分场耦合分析,得出春融期渠道边坡冻融-渗流作用下水分场温度场变化过程。主要取得了以下四个方面的研究成果:(1)通过土体冻融损伤试验研究,得出导热系数随冻融循环次数增加呈线性降低趋势,当达到第7次冻融循环后,降低趋势逐渐减缓,导热系数由1.389 W/(m~3·k)降低到1.135W/(m~3·k),降低了18%,11循环以后导热系数逐渐会趋向某一稳定值。随着冻融循环次数的增加渗透系数逐渐升高,对干密度ρ=1.55 g/cm~3、含水率ω=22%的试样,6次冻融循环后,渗透系数逐渐趋向于稳定整体值增加了3~5倍。在相同冻融循环次数时,渗透系数随着干密度以及含水率的增大而减小。冻融循环过程中,试样孔隙率增大,干密度降低。(2)通过边坡冻融模型试验研究,边坡内部温度场水分场变化规律为:冻融循环过程中渠道不同部位0℃等温线发展过程趋势相似,坡脚冻深发展线相对滞后于坡顶;边坡温度场在整个冻融循环过程在均能达到稳定状态且稳定后的温度场沿边坡切线方向为线性分布;温度场变化与土层温度随时间变化趋势基本一致。不同阶段的计算结果均表明随着土体深度的增加,土温与气温的相关性越来越小,表明不同深度土温对气温波动的相对滞后性。在冻结过程中,水分整体向冻结锋面迁移,边坡浅层含水率升高,垂直方向水分重分布;在融化过程中,水分向下迁移,融化层部分含水量升高。对比一整个循环不同深度水分变化情况,发现一个冻融循环完成后,边坡内部水分逐渐达到均衡,说明试样在冻结和融化过程中水分迁移量基本相同。(3)利用COMSOL建立原尺寸边坡模型以及数值模型试验,模拟春融期水分入渗对边坡融化过程的影响结果表明,边坡表面渗流加快了融化过程,在冻融循环开始30.1 h后,出现一个冰水混合带,由于边坡表面入渗,此处上表面含水量迅速升高,下表面含水量不发生变化,证明此处渗透系数小透水性低。随着时间增加,边坡内部逐渐出现一个超饱和渗流带,容易造成季节冻土区春季融化时边坡滑坡的发生。(4)对实验室模型与数值模拟进行对比分析,试验温度与模拟温度能够较好地吻合;达到最大冻深所需时间,实验室试验达到最大冻深时间较晚,最大冻深模拟值大于实测值;对比整个试验与模拟过程,温度整体误差在2℃以内。从对气温要求的角度来说,因为更重要的是温度变化的趋势,这个误差范围是可以接受的,因此误差满足要求。
【图文】：

渠道,防冻胀措施,渠道冻胀,渠道衬砌

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【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV672;TV223

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