冻融循环条件下锅盖效应机理及试验研究
发布时间：2021-04-14 06:01
锅盖效应是指有覆盖层土体中的水汽在温度梯度的驱动下向上迁移,冷凝成水或者凝华成冰在覆盖层下聚积的现象。在面积广阔的季节冻土区,锅盖效应导致机场跑道和道路等工程病害频发。为了更好地防控季节冻土区道基工程病害,完善锅盖效应水汽迁移相关理论,本文对沈阳机场跑道锅盖效应现象进行了现场调研,以大量室内试验研究为基础,并结合理论推导,研究了道基土体的锅盖效应增水规律,取得的主要成果如下:（1）开发了锅盖效应试验平台。研制了锅盖效应室内试验仪器“冻融循环锅盖效应试验仪”,通过试验发现FDR（频域反射法）传感器的含水率测量值会受温度漂移的影响而与温度呈线性关系,同时根据试验结果建立了校准公式,校准后的含水率具有良好的可靠性。为了能够进行模拟碎石-粘土分层道基的试验并收集锅盖效应生成水,对冻融循环锅盖效应试验仪进行了改进。（2）系统研究了锅盖效应的影响因素。对粉质粘土试样进行了恒定温度梯度下的锅盖效应水汽迁移系列试验,研究了粘性土体在不同温度梯度、初始含水率、干密度、试验时间和补水方式下的锅盖效应水汽迁移规律,得到了上述各因素对锅盖效应的影响,试验结果表明冻结作用是粘性土覆盖层下含水率大幅增加的关键。（...
【文章来源】：北京航空航天大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
中国冻土分布[2]
0摘要2图2中国民用机场布局规划分布图[4]由此可知，我国季节性冻土区面积十分广阔，季节冻土区的道路和机场跑道工程等均处于冻融循环的气候环境中。1.1.1土体的锅盖效应土体的锅盖效应是指有覆盖层土体中的水汽在温度梯度的驱动下向上迁移，冷凝成水或者凝华成冰在覆盖层下聚积的现象（图3），它的概念是由李强、姚仰平等[5]为了解释兰州中川机场跑道的工程病害而提出的。锅盖效应发生的条件有三个：（1）土体中含有水汽。（2）土体上边界温度较低，能够与深部土体的稳定温度形成上低下高的温度梯度。（3）土体需要具有覆盖层，如道路、机场跑道道面等。即便是干旱地区，由于地下水的存在，水汽迁移也有充足的水汽来源。因此，地处季节冻土区的道路和机场跑道等工程土体均存在锅盖效应发生的条件。
北京航空航天大学博士学位论文3（a）（b）图3锅盖效应示意图（a）生活中的锅盖效应（b）机场跑道锅盖效应（绘图：从易敏行）自从锅盖效应的概念提出以后，学者们逐渐开始用锅盖效应来解释季节冻土区的道基工程病害。在机场跑道工程方面，西北地区的兰州中川机场[5-14]、敦煌机场[9,10,14]，东北地区的沈阳桃仙国际机场等[9]（图4（a））均报道了由锅盖效应引发的道面裂缝、不均匀沉降等工程病害，已严重影响了机场的运营。在铁道工程方面，哈大高铁的冻胀问题[15-22]据报道与粗粒土填料锅盖效应密切相关。在道路工程方面，新疆的乌奎高速公路[8,9,14,23]（图4（b））、连霍高速公路[14,23,24,25]等也发现了锅盖效应引发的道面裂缝。锅盖效应会导致土体湿度增加，强度降低，诱发不均匀沉降，甚至在冬季冻胀、开春翻浆，严重破坏作为覆盖层的机场道面等上覆结构。因此，研究锅盖效应水汽迁移规律和增水机理，对于完善锅盖效应相关理论以及防控道基工程病害具有重要意义。（a）（b）图4锅盖效应引发的道面冻胀裂缝（a）沈阳桃仙国际机场跑道（b）新疆乌奎高速公路
【参考文献】：
期刊论文
[1]季节冻土区渠道水分迁移规律及冻胀特性试验研究[J]. 姜海波,李琳,李志强. 水利水电技术. 2020(02)
[2]马氏瓶回流原理分析[J]. 姚仰平,陈伟,陈含. 力学与实践. 2020(01)
[3]冻融循环作用下非饱和粗颗粒填料水热汽迁移追踪及规律研究[J]. 张玉芝,马巍,赵维刚,温安,李裴,王保宪. 岩石力学与工程学报. 2020(01)
[4]路基土体“时变覆盖效应”的数值模拟分析[J]. 宋二祥,仝睿,罗爽,李鹏. 工程力学. 2019(08)
[5]砂性冻土堤防冻融作用下水分迁移试验研究[J]. 史长莹,张宝磊,张晔楠. 地震工程学报. 2019(03)
[6]北京新机场“锅盖效应”一维现场试验[J]. 罗汀,曲啸,姚仰平,王乃东,陈经伟. 土木工程学报. 2019(S1)
[7]Development of pot-cover effect apparatus with freezing-thawing cycles[J]. LUO Ting,CHEN Han,YAO YangPing,WANG NaiDong,QU Xiao. Science China（Technological Sciences）. 2019(09)
[8]寒区路基土锅盖效应气态水迁移试验研究[J]. 罗汀,陈含,姚仰平,陈伟. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2019(S1)
[9]冻融循环条件下重塑黄土水分迁移及其对力学性质影响[J]. 陈静茹,李宝平,杨帆,王元戎. 科学技术与工程. 2018(34)
[10]冻融循环对沥青混合料内水气扩散的影响[J]. 罗蓉,柳子尧,黄婷婷,涂崇志,冯光乐. 中国公路学报. 2018(09)
博士论文
[1]冻土冻融过程水热迁移特性的数值模拟及实验研究[D]. 宋文宇.哈尔滨工业大学 2016
[2]冻融作用下黄土水分迁移及强度问题研究[D]. 张辉.西安建筑科技大学 2014
[3]新疆地区路面覆盖下路基温湿度变化规律及力学性能研究[D]. 李倩.长安大学 2012
[4]季节冻土水分迁移模型研究[D]. 李杨.吉林大学 2008
[5]季节冻土水分迁移的机理及数值模拟[D]. 原国红.吉林大学 2006
本文编号：3136804
【文章来源】：北京航空航天大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
中国冻土分布[2]
0摘要2图2中国民用机场布局规划分布图[4]由此可知，我国季节性冻土区面积十分广阔，季节冻土区的道路和机场跑道工程等均处于冻融循环的气候环境中。1.1.1土体的锅盖效应土体的锅盖效应是指有覆盖层土体中的水汽在温度梯度的驱动下向上迁移，冷凝成水或者凝华成冰在覆盖层下聚积的现象（图3），它的概念是由李强、姚仰平等[5]为了解释兰州中川机场跑道的工程病害而提出的。锅盖效应发生的条件有三个：（1）土体中含有水汽。（2）土体上边界温度较低，能够与深部土体的稳定温度形成上低下高的温度梯度。（3）土体需要具有覆盖层，如道路、机场跑道道面等。即便是干旱地区，由于地下水的存在，水汽迁移也有充足的水汽来源。因此，地处季节冻土区的道路和机场跑道等工程土体均存在锅盖效应发生的条件。
北京航空航天大学博士学位论文3（a）（b）图3锅盖效应示意图（a）生活中的锅盖效应（b）机场跑道锅盖效应（绘图：从易敏行）自从锅盖效应的概念提出以后，学者们逐渐开始用锅盖效应来解释季节冻土区的道基工程病害。在机场跑道工程方面，西北地区的兰州中川机场[5-14]、敦煌机场[9,10,14]，东北地区的沈阳桃仙国际机场等[9]（图4（a））均报道了由锅盖效应引发的道面裂缝、不均匀沉降等工程病害，已严重影响了机场的运营。在铁道工程方面，哈大高铁的冻胀问题[15-22]据报道与粗粒土填料锅盖效应密切相关。在道路工程方面，新疆的乌奎高速公路[8,9,14,23]（图4（b））、连霍高速公路[14,23,24,25]等也发现了锅盖效应引发的道面裂缝。锅盖效应会导致土体湿度增加，强度降低，诱发不均匀沉降，甚至在冬季冻胀、开春翻浆，严重破坏作为覆盖层的机场道面等上覆结构。因此，研究锅盖效应水汽迁移规律和增水机理，对于完善锅盖效应相关理论以及防控道基工程病害具有重要意义。（a）（b）图4锅盖效应引发的道面冻胀裂缝（a）沈阳桃仙国际机场跑道（b）新疆乌奎高速公路
【参考文献】：
期刊论文
[1]季节冻土区渠道水分迁移规律及冻胀特性试验研究[J]. 姜海波,李琳,李志强. 水利水电技术. 2020(02)
[2]马氏瓶回流原理分析[J]. 姚仰平,陈伟,陈含. 力学与实践. 2020(01)
[3]冻融循环作用下非饱和粗颗粒填料水热汽迁移追踪及规律研究[J]. 张玉芝,马巍,赵维刚,温安,李裴,王保宪. 岩石力学与工程学报. 2020(01)
[4]路基土体“时变覆盖效应”的数值模拟分析[J]. 宋二祥,仝睿,罗爽,李鹏. 工程力学. 2019(08)
[5]砂性冻土堤防冻融作用下水分迁移试验研究[J]. 史长莹,张宝磊,张晔楠. 地震工程学报. 2019(03)
[6]北京新机场“锅盖效应”一维现场试验[J]. 罗汀,曲啸,姚仰平,王乃东,陈经伟. 土木工程学报. 2019(S1)
[7]Development of pot-cover effect apparatus with freezing-thawing cycles[J]. LUO Ting,CHEN Han,YAO YangPing,WANG NaiDong,QU Xiao. Science China（Technological Sciences）. 2019(09)
[8]寒区路基土锅盖效应气态水迁移试验研究[J]. 罗汀,陈含,姚仰平,陈伟. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2019(S1)
[9]冻融循环条件下重塑黄土水分迁移及其对力学性质影响[J]. 陈静茹,李宝平,杨帆,王元戎. 科学技术与工程. 2018(34)
[10]冻融循环对沥青混合料内水气扩散的影响[J]. 罗蓉,柳子尧,黄婷婷,涂崇志,冯光乐. 中国公路学报. 2018(09)
博士论文
[1]冻土冻融过程水热迁移特性的数值模拟及实验研究[D]. 宋文宇.哈尔滨工业大学 2016
[2]冻融作用下黄土水分迁移及强度问题研究[D]. 张辉.西安建筑科技大学 2014
[3]新疆地区路面覆盖下路基温湿度变化规律及力学性能研究[D]. 李倩.长安大学 2012
[4]季节冻土水分迁移模型研究[D]. 李杨.吉林大学 2008
[5]季节冻土水分迁移的机理及数值模拟[D]. 原国红.吉林大学 2006
本文编号：3136804
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