寒区油页岩废渣—粉煤灰土路基的水—水汽—热—力（HVTM）耦合数值模拟研究

发布时间：2023-08-11 11:42

　　寒区油页岩废渣-粉煤灰土路基的水-水汽-热-力(HVTM)耦合数值模拟研究在我国,大约70%的地表被寒区多年冻土层和季节性冻土覆盖。在多年冻土和季节性冻土地区,路基必须经历冻融循环,导致路基病害严重,缩短路基和路面结构的使用寿命。路基多为非饱和土,在非盐渍土地区,其病害是由水分场、温度场、应力场共同作用的结果,其中水分场显现为液态水、固态水及汽态水的分布及变化,温度场显现为温度分布及变化,而应力场显现为应力和应变的分布及变化。目前,缺乏既考虑冻融,又考虑汽态水迁移的非饱和土水-水汽-热-应力耦合方程的数值计算理论与实施案例,无法为刻画寒区路基中存在的水、冰、水汽、温度、应力及应变分布提供数值计算基础,导致在分析寒区路基冻融破坏机制时缺乏冻融环境下的水、冰、水汽、温度、应力及应变相互影响的理论及定量分析手段。随着油页岩开发和国家能源需求量的增加,油页岩废渣及粉煤灰堆积产生了严重的环境污染,且有大量的油页岩废渣及粉煤灰需要处理。为了减少冻融对冻土路基和季节性冻土的不利影响,已有研究采用了降低地下水位、使用防冻路基材料、设置冷阻、隔热或保温层等方法,都取得了一定的有益效果。目前,鲜见将油页岩...

【文章页数】：181 页

【学位级别】：博士

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摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 选题背景
    1.2 研究意义
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 寒区冻融循环对土的影响
        1.3.2 寒区路基冻害防治措施
        1.3.3 岩土多场耦合
        1.3.4 存在问题
    1.4 研究内容与技术路线
        1.4.1 主要研究内容
        1.4.2 技术路线
第2章 寒区路基水-水汽-热-力(HVTM)耦合数学模型
    2.1 引言
    2.2 路基土水分场控制方程(非饱和土水-水汽流动方程)
        2.2.1 水分场描述基础
        2.2.2 水分场瞬态饱和流
        2.2.3 水分场瞬态非饱和流
        2.2.4 考虑温度场、冻融作用、应力场的渗流微分方程构建
    2.3 路基土温度场控制方程
        2.3.1 温度场描述基础
        2.3.2 温度场方程(导热微分方程式)
        2.3.3 考虑水分场、冻融作用、应力场的导热微分方程构建
    2.4 路基土的应力应变控制方程
        2.4.1 饱和土总应力平衡微分方程
        2.4.2 饱和土及非饱和土的土骨架受力分析
        2.4.3 非饱和土的土骨架受力平衡微分方程
        2.4.4 有效应力方程
        2.4.5 土的应力应变关系
        2.4.6 考虑水分场、温度场、冻融作用的应力应变微分方程
    2.5 本构关系
        2.5.1 水力特性
        2.5.2 土冻结特征
        2.5.3 土体的力学特征
    2.6 定解条件
        2.6.1 初始条件
        2.6.2 边界条件
    2.7 路基土水-水汽-热-力耦合数学模型
    2.8 本章小结
第3章 油页岩废渣-粉煤灰土(改良土)的传热参数计算模型
    3.1 引言
    3.2 油页岩废渣-粉煤灰土原材料的物理化学性质
        3.2.1 原材料来源及基本物理性能
        3.2.2 原材料的颗粒分析
        3.2.3 原材料的液塑限指标
        3.2.4 原材料的化学组成
        3.2.5 原材料的微观结构
    3.3 油页岩废渣-粉煤灰土的混合料制备及传热参数测试方法
        3.3.1 油页岩废渣-粉煤灰土的配合比
        3.3.2 油页岩废渣-粉煤灰土混合的前处理
        3.3.3 油页岩废渣-粉煤灰土的试样制备
        3.3.4 油页岩废渣-粉煤灰土的传热参数测试
    3.4 油页岩废渣-粉煤灰土及粉质黏土的传热参数测试结果
        3.4.1 油页岩废渣-粉煤灰土及粉质黏土的导热系数
        3.4.2 油页岩废渣-粉煤灰土及粉质黏土的比热容
    3.5 油页岩废渣-粉煤灰土与粉质黏土传热参数的计算函数
        3.5.1 油页岩废渣-粉煤灰土与粉质黏土比热容的计算函数
        3.5.2 油页岩废渣-粉煤灰土与粉质黏土的导热系数计算函数
    3.6 本章小结
第4章 油页岩废渣-粉煤灰土导热系数变化机理分析
    4.1 引言
    4.2 试验样品及方案
    4.3 微观结构变化分析
        4.3.1 微观结构测试方法
        4.3.2 冻融循环后改良土微观结构的变化
    4.4 细观结构变化分析
        4.4.1 细观结构测试方法
        4.4.2 冻融循环后改良土的细观结构变化
    4.5 本章小结
第5章 油页岩废渣-粉煤灰土的水-热-力耦合及水汽迁移试验
    5.1 引言
    5.2 试验设备
        5.2.1 室内非饱和土水-热-力耦合试验装置
        5.2.2 室外非饱和土水-热-力耦合试验坑
        5.2.3 非饱和土水汽迁移试验装置
    5.3 试验方案
        5.3.1 室内非饱和土水-热-力耦合试验方案
        5.3.2 室外非饱和土水-热-力耦合试验方案
        5.3.3 非饱和土水汽迁移试验方案
    5.4 试验土样制备
        5.4.1 室内非饱和土水-热-力-耦合试验土样制备
        5.4.2 室外非饱和土水-热-力耦合试验土样制备
        5.4.3 非饱和土水汽迁移试验土样制备
    5.5 试验步骤
        5.5.1 非饱和土水-热-力耦合试验步骤
        5.5.2 非饱和土水汽迁移试验步骤
    5.6 试验数据分析
        5.6.1 室内非饱和土水-热-力耦合试验数据分析
        5.6.2 室外非饱和土水-热-力耦合试验数据分析
        5.6.3 非饱和土水汽迁移试验数据分析
    5.7 本章小结
第6章 寒区路基水-水汽-热-力耦合数学模型验证
    6.1 引言
    6.2 COMSOL Multiphysics简介
    6.3 COMSOL Multiphysics的 PDE接口及求解
        6.3.1 COMSOL Multiphysics的 PDE接口
        6.3.2 COMSOL Multiphysics的 PDE求解
    6.4 室外非饱和土水-热-力耦合试验数据验证建模
        6.4.1 前处理
        6.4.2 物理场设定
        6.4.3 边界条件
    6.5 室内非饱和土水汽迁移试验数据验证建模
        6.5.1 前处理
        6.5.2 物理场设定
        6.5.3 边界条件
    6.6 模型的验证
        6.6.1 验证数据
        6.6.2 模型求解与试验结果对比
    6.7 本章小结
第7章 油页岩废渣-粉煤灰土及水-水汽-热-力耦合模型的应用
    7.1 引言
    7.2 模型初始值的获取
        7.2.1 实际工程介绍
        7.2.2 传感器布设
        7.2.3 数据监测
    7.3 试验路应用改良土的环境影响评价
        7.3.1 采取的试验土样
        7.3.2 测试项目
        7.3.3 环境影响评价
    7.4 试验路应用改良土的水-水汽-热-力耦合数值模拟
        7.4.1 几何模型及材料参数
        7.4.2 边界条件
        7.4.3 初始值及求解条件
        7.4.4 结果分析
    7.5 本章小结
第8章 结论与展望
    8.1 结论
    8.2 创新点
    8.3 不足及展望
参考文献
作者简介及科研成果
致谢



本文编号：3841261