季节冻土水分迁移模型研究

论文摘要

本文结合国家自然科学基金项目“东北季冻区路基水分迁移的微观机理研究”(NO. 40672180)和交通部西部项目“季节性冰冻地区路基路面稳定技术研究”,以长春地区季节冻土为研究对象,从土体基本的物理化学性质出发,结合季冻土的热力学参数和水力学特征,介绍了土性对水分迁移过程的影响。并利用扫描电子显微镜对东北地区季节冻土在不同温度下冻中和冻后的微观结构进行了研究。最后主要以室内实验数据为基础,建立了基于非饱和土多孔介质理论的水迁移热耦合模型,采用有限元法分别对长春1和长松线土样进行数值方程的求解,并分别与室内实验和野外监测结果相比较,得到了较好的结果。本文首先对长春地区季节冻土的粒度成分、矿物成分、易溶盐含量、比表面积、阳离子交换容量等性质进行了分析,并研究了冻土的热交换参数和水力参数。其次利用扫描电子显微镜对东北地区季节冻土在不同温度下冻中和冻后的微观结构进行了研究。然后根据地温及监测数据确定了本区季节活动层在地表以下1.7m,并根据监测资料将本区季节冻土冻结期分为四个阶段,即:不稳定冻结阶段、单向快速冻结阶段、稳定冻结阶段、双向融化阶段。根据冻结状态下的毛细水上升实验得出了在压实度较小的情况下,毛细水上升高度随土的压实度增加而减小。最后建立了基于多孔介质理论和非饱和土水动力学的的水热耦合迁移模型,采用有限元法分别对长春1和长松线土样进行求解,并分别与实验和监测结果进行比较,得到了较好的结果。全文分七章,包括绪论、季节冻土的成分结构特征及物理化学特性、季冻土的微观结构特征、季节冻土中的水分迁移、季节冻土水热盐耦合方程的建立、季节冻土耦合模型的解及检验、结论和建议。

论文目录

• 内容提要
• 第一章 绪论
• 1.1 季节冻土中水分迁移的研究意义
• 1.1.1 冻土的分布
• 1.1.2 季节冻土中水分迁移的研究意义
• 1.2 冻土中水分迁移的国内外研究现状
• 1.2.1 水分迁移理论研究概述
• 1.2.2 冻土中水分迁移模型国内外研究现状
• 1.2.3 冻土水分迁移研究的不足及发展方向
• 1.3 论文的主要研究内容及研究思路
• 第二章 季节冻土成分特征及物理化学特征
• 2.1 季节冻土的物质组成
• 2.1.1 粒度成分
• 2.1.2 矿物成分
• 2.2 季节冻土土性的物理化学分析
• 2.2.1 易溶盐
• 2.2.2 比表面积
• 2.2.3 阳离子交换容量
• 2.3 季节冻土的热交换参数
• 2.3.1 导热系数
• 2.3.2 导温系数（热扩散系数）
• 2.3.3 比热
• 2.3.4 容积热容量
• 2.4 季节冻土的水力参数
• 2.4.1 微分水容量
• 2.4.2 导湿系数
• 2.4.3 扩散系数
• 2.5 小结
• 第三章 季节冻土的微观结构特征
• 3.1 试验段样品的定性结构特征
• 3.2 微结构定量参数的确定
• 3.2.1 结构单元体和孔隙大小和形态特征参数
• 3.2.2 结构单元体和孔隙排列特征参数
• 3.3 冻结前后结构单元体变化特征
• 3.3.1 结构单元体大小变化特征
• 3.3.2 结构单元体形状变化特征
• 3.3.3 结构单元体定向性变化特征
• 3.3.4 结构单元体分布特征
• 3.4 冻结前后孔隙变化特征
• 3.4.1 孔隙大小变化特征
• 3.4.2 孔隙形状变化特征
• 3.4.3 孔隙定向性变化特征
• 3.5 小结
• 第四章 季节冻土中的水分迁移
• 4.1 季节冻土中温度场分布
• 4.1.1 地表温度
• 4.1.2 地表温度对土体中温度场的影响
• 4.2 土体的冻结和融化
• 4.2.1 土中水的赋存状态
• 4.2.2 土体中水的冻结
• 4.2.3 土体的冻结和融化
• 4.3 季节冻土水分迁移
• 4.3.1 季节冻土水分迁移的驱动力
• 4.3.2 土水势
• 4.4 季节冻土水分迁移实验研究
• 4.5 小结
• 第五章 季节冻土水热耦合模型的建立
• 5.1 模型简介
• 5.2 理想模型
• 5.3 土体水热耦合模型理论基础
• 5.3.1 土的多孔介质特性
• 5.3.2 土体中流体的质量、能量传递过程
• 5.4 季节冻土水热耦合模型的建立
• 5.4.1 建模假设和基础理论
• 5.4.2 水分迁移方程
• 5.4.3 土体传热过程
• 5.4.4 骨架质量密度变化方程和传热方程
• 5.4.5 水热迁移耦合模型
• 5.5 季冻土水热耦合模型参数确定
• 5.6 简化的土体水、热迁移耦合模型
• 5.7 小结
• 第六章 季节冻土水热耦合模型数值求解和结果检验
• 6.1 水热迁移耦合方程的数值解法
• 6.2 冻土水热耦合模型方程求解过程
• 6.2.1 模型控制方程
• 6.2.2 修正的模型控制方程
• 6.2.3 计算模型方程中参数的确定
• 6.3 长春1 土样水热耦合模型的解
• 6.3.1 边界条件
• 6.3.2 水热耦合模型的解
• 6.3.3 土水分迁移模型数值解验证
• 6.4 长松线水热耦合模型的解
• 6.4.1 边界条件
• 6.4.2 长松线水热耦合模型的解
• 6.4.3 解的检验
• 6.5 小结
• 第七章 结论和建议
• 7.1 结论
• 7.2 进一步研究建议
• 参考文献
• 主要科研成果和项目
• 致谢
• 中文摘要
• 英文摘要