粘土的热物理参数和冻结过程中的温度场演变研究

粘土的热物理参数和冻结过程中的温度场演变研究冻土是一种由固、液、气、冰四相物质组成的复合材料。冻土中的冰相对其物理、力学和工程性质具有决定影响。

因此,研究冰相的存在形式和形成过程,是揭示冻土复杂性质的基础和条件。而认识冻土的热参数及其导热特性,则是揭示冻土形成规律必不可少的条件。

本论文从冻土的材料组成入手,研究了冻结过程中的热量构成,建立了冻土

热物理参数的计算新模型,研发了室内模型试验装置,开展室内模型试验,通过模型试验结合数值模拟分析,验证了本文提出的冻土热物理参数计算新模型的有效性。为寒冷地区的工程建设和冻结法施工,提供了设计理论基础。

获得的成果主要包括以下几个方面。(1)揭示了土在冻结过程中的热量构成。

将未冻土当作颗粒、孔隙水和孔隙气组成的复合体,则冻结过程实质上是孔隙水的降温过程、孔隙水的结冰过程、孔隙冰的降温过程、土颗粒的降温过程共四个物理过程的组合。因此,土在冻结过程中的热量消耗主要用于颗粒的温度变化、水(冰)的温度变化和冰水相变。

(2)揭示了土在冻结过程中,比热和导热系数的演变特点。由于冰和水的含量在冻结阶段是不断变化的,而冰的比热和导热系数完全不同于水的比热和导热系数,因此土体的比热和导热系数是一个动态变化过程。

因此,研究土冻结阶段的导热系数和比热,必须与孔隙水的相变过程和相应

潜热相联系。(3)根据是否存在冰水相变或潜热,提出了一种冻结过程的划分方法。

随温度降低,若土中水一直以液态形式存在则称之为未冻阶段;若存在固态

冰且液态水随温度降低逐渐减少则称之为冻结阶段;若存在固态冰但液态水不再随温度降低而减少则称之为冻实阶段。(4)建立了完整的冻结过程三阶段比热计

算模型。

基于复合材料比热计算理论,建立了土在未冻阶段和冻实阶段的比热计算模型。考虑相变本质和潜热的物理意义,建立了冻结阶段的比热计算模型。

从而给出了土在未冻阶段、冻结阶段和冻实阶段三个阶段完整的比热计算模型。(5)建立了涵盖冻结过程三阶段的导热系数计算模型。

由试验现象出发,研究了密实度、含水量、温度等参数与导热系数的关系。基于理想模型,建立了随温度变化的考虑了相变的导热系数理论模型。

并初步建立了土在未冻阶段、冻结阶段和冻实阶段共三个温度阶段的导热系数计算模型。(6)研制了冷冻模型试验系统,开发一种三维应力状态测试装置和一种三维应变测试装置,并成功进行了冷冻模型试验。

根据冻结模型试验相似准则,开发了具有冷冻功能、温度测试功能、荷载施加和测试功能、补水功能、三维应力和三维应变测试功能的冻土模型试验系统,并进行了相应的单管冻结和双管冻结模型试验。(7)提出了一个根据应力、应变测试数据,判断冷冻进程的方法。

通过模型试验监测冻结过程中土体内部的温度变化、三维应变变化、三维应力变化,根据三维应变和三维应力的突变点,确定了冻结的起止时间和位置,预测了土体内部的冻结过程。(8)建立了考虑相变潜热的有限元分析方法。

基于建立的热参数模型和开发的考虑相变潜热的显热法,模拟了粘土冷冻模型试验温度场的变化过程。(9)理论模型验证。

通过考虑相变潜热、不考虑相变潜热数值模拟结果与实测结果对比分析,验证了本文提出的热参数计算模型的可靠性。