土壤颗粒级配对冻土冻胀程度影响的研究

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1、硕士学位论文土壤颗粒级配对冻土冻胀程度影响的研究STUDYONTHEINFLUENCEOFSOILPARTICLESIZEDISTRIBUTIONFORFROSTHEAVELEVELOFFROSTSOIL杜中林哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TK124学校代码：10213国际图书分类号：536.2密级：公开工程硕士学位论文土壤颗粒级配对冻土冻胀程度影响的研究硕士研究生：杜中林导师：李炳熙教授申请学位：工程硕士学科：动力工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大

2、学ClassifiedIndex:TK124U.D.C:536.2DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringSTUDYONTHEINFLUENCEOFSOILPARTICLESIZEDISTRIBUTIONFORFROSTHEAVELEVELOFFROSTSOILCandidate：DuZhonglinSupervisor：Prof.LiBingxiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Pow

3、erEngineeringAffiliation：SchoolofEnergyScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要我国多年冻土地区与季节性冻土地区面积约占我国国土面积的75%，土壤的冻胀、融沉是冻土地区建设发生冻灾的主要原因。为防止冻土冻胀、融沉破坏交通道路、建筑物等设施，需对土壤冻融过程中病害机理进行研究。目前，有关土壤冻胀微观特性研究并

4、不充分，相关的数学模型，多采用基于离散宏观连续方程的连续介质模型，难以处理非稳态微观结构对冻胀程度的影响。因此本文采用热固耦合方法，研究土壤颗粒级配对冻胀程度的影响，主要包括以下方向的工作：搭建室内冻土冻胀实验台，采集冻土冻结过程中温度、位移、含水量等参数数据。改变冻土上表面温度，研究分析在不同上表面温度条件下的各参数变化规律，进而得出上表面温度变化对冻土冻胀程度的影响。实验结果表明：在冻结过程中，冻结区含水率与水势发生了显著的下降，分别下降了68.9%和136.1kPa。上表面温度越低，冻土含水率与水势变化越

5、迅速。当上层土壤处于冻结状态时，未冻结区域土壤含水率发生了很微弱的降低现象，水分向冻结缘处发生了迁移。冻胀量主要来自于表层土壤孔隙水的相变膨胀，冻土上表面温度越低，冻结速率越快，冻胀量变化越明显，但当表层土壤完全冻结时，其最大冻胀量相同，为2.19mm，冻胀率为1.83%。耦合方法分析问题强调的是：完全的单场问题是不存在的，各种物理现象之间都存在着各种各样的相互关联作用。因此，基于实验研究结果，利用间接耦合方法，将土壤冻胀过程分为热传导以及孔隙水膨胀过程。建立了由非稳态导热微分方程、瞬态动力学基本运动方程控制的

6、土壤冻胀数学模型。采用土壤结构重整的Matlab程序，建立土壤颗粒几何模型。模型验证结果表明，土壤模型冻结过程内部温度变化规律符合非稳态导热过程，最大冻胀量为1.7410-2mm，冻胀率为2.12%。模拟冻胀率与实验结果的相对误差较小（约为15.8%），从而验证了数值模型的有效性。对冻结过程土壤内部温度、颗粒位移变化进行数值模拟研究，分析颗粒半径、颗粒级配大小及土壤上表面温度对冻土冻胀程度的影响。模拟结果表明：颗粒半径较大或颗粒级配较小的土壤，其体积分数较大。在冻结过程中，由于颗粒整体温度变化小，土壤颗粒体积

7、分数的增加使得土壤降温速率减慢，内部温度梯度增大。体积分数减小时，土壤孔隙率增大，当孔隙水全部发生相变凝结时，土壤冻胀量增大，颗粒位移值增大。在冻结过程中，土壤上表面温度减小时，土壤冻结速率加快，温度梯度减小。因此，增大土壤颗粒半径、上表面温度或减小土壤颗I摘要粒级配大小，有利于延缓冻胀现象的发生，降低冻胀程度。关键词：土壤颗粒级配；冻胀程度；热固耦合；温度分布；颗粒位移；IIAbstractAbstractTheareaofpermafrostandseasonalfrozensoilsinChinaacco

8、untsforabout75%ofthecountry'slandarea.Frostheaveandthawsettlementinthesoilarethecausesofthefrozendisastersinthefrozenregions.Inordertopreventfrostheaveandthawsettlementoftrafficroads,buildingsan