人工冻结土体侧向冻胀特性研究

论文摘要

在人工冻结法工程中,土体的冻胀主要发生在侧向,即冻结圆柱体发生侧向土体膨胀变形。但目前我国最有权威的兰州冰川冻土研究所,主要研究的是天然土体的垂直冻胀特性,与人工冻结法工程的冻胀模型不同。为了更好的掌握人工冻结土体侧向冻胀特性,论文开展了如下三个方面的工作:(1)利用自行研制的微机控制多功能冻土冻胀试验机,率先开展了冻结土体侧向冻胀性质的试验研究。(2)现场实测三圈管冻结壁形成过程温度场和冻胀应力场。(3)以工程为背景,数值模拟冻结法凿井中,多圈管冻结壁和冻胀力的形成过程。试验选用淮南矿区粘土,进行了不同荷载条件下粘土的侧向冻胀试验。获得了冻结温度和冻胀力发展的关系、开放系统和封闭系统对土体冻胀特性的影响、外荷载大小对冻胀力的影响等重要关系。对顾桥矿南区井筒冻结过程温度场、冻结应力场和孔隙水压力变化规律的现场实测,获得了三者之间十分宝贵的实测数据,为多圈管冻结壁的力学性质分析提供了基础。通过对室内人工圆柱侧向冻胀和顾桥矿南区冻结过程中的力学性能计算和分析,从理论上进一步分析和掌握人工土体冻结过程中侧向冻胀特性。论文对进一步深入研究人工冻结土体冻胀性质提供了一种方法,获得了十分有益的结果,对人工冻结法工程的设计具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 国内外研究状况和进展
• 1.2.1 国外研究成果
• 1.2.2 国内研究成果
• 1.2.3 目前主要存在的问题
• 1.3 论文研究内容、方法与技术路线
• 1.3.1 研究内容、方法和技术路线
• 1.3.2 拟解决的关键技术
• 1.3.3 预期成果
• 2 土体冻胀特性及其影响因素分析
• 2.1 概述
• 2.1.1 冻结法施工的工程应用
• 2.1.2 冻结工程中的冻胀问题
• 2.2 土体产生冻胀机理分析
• 2.2.1 冻土的基本成分
• 2.2.2 冻土的形成过程
• 2.2.3 土体产生冻胀的因素
• 2.2.4 土中液相水形成结晶中心
• 2.2.5 冰晶体增长与冰透晶体的形成
• 2.2.6 冻土的热物理性质
• 2.2.7 冻胀及冻胀压力的产生
• 2.3 影响冻土冻胀的因素
• 2.3.1 土的性质
• 2.3.2 冻结温度
• 2.3.3 含水率
• 2.3.4 补水条件
• 2.3.5 外荷载大小
• 2.4 侧向冻结和竖向冻结比较
• 2.4.1 切向冻胀力
• 2.4.2 法向冻胀力
• 2.4.3 水平冻胀力
• 2.4.4 侧向冻结与竖向冻结比较
• 3 试验研究
• 3.1 常规土工试验
• 3.1.1 含水率试验
• 3.1.2 干密度试验
• 3.1.3 冻结温度试验
• 3.2 侧向冻胀试验
• 3.2.1 冻胀试验设备系统
• 3.2.2 试验土样的选取与制备
• 3.2.3 试验步骤
• 3.2.4 试验方法
• 3.2.5 试验设计及安排
• 3.3 数据处理与分析
• 3.3.1 土体冻结时温度场的变化
• 3.3.2 土体冻结后水分迁移特征
• 3.3.3 不同荷载作用下冻胀量与冻胀速率分析
• 3.3.4 不同荷载下冻胀力与冻胀率的关系
• 4 现场实测
• 4.1 概述
• 4.1.1 现场实测背景
• 4.1.2 现场实测研究主要内容
• 4.1.3 现场实测技术路线
• 4.2 冻胀应力监测
• 4.2.1 监测目的及内容
• 4.2.2 监测方案制定
• 4.2.3 监测元件及仪器介绍
• 4.2.4 安装与施工措施
• 4.3 监测数据采集与处理
• 4.3.1 数据采集
• 4.3.2 数据处理
• 4.3.3 数据分析
• 4.4 小结
• 5 冻结压力的有限元数值模拟
• 5.1 ADINA有限元程序
• 5.2 温度场和冻结应力的数值计算
• 5.2.1 温度场非线性有限元分析
• 5.2.2 冻结温度场和应力场耦合有限元方法
• 5.3 数值模拟
• 5.3.1 计算模型的建立
• 5.3.2 数值模拟结果
• 5.4 数值模拟和模型试验比较
• 5.4.1 测点温度的比较
• 5.4.2 冻结压力的比较
• 5.5 小结
• 6 冻结工程控制冻胀的措施
• 6.1 冻结法凿井中的冻胀破坏特征
• 6.2 控制冻土冻胀
• 6.2.1 冻结方案优化设计
• 6.2.2 控制冻结冷量分配
• 6.2.3 施工过程中的控制冻胀措施
• 6.2.4 预防冻土冻胀回冻对井壁的影响
• 7 结论与展望
• 7.1 主要研究成果
• 7.2 论文创新点
• 7.3 进一步的研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果
• 附录：历届安徽理工大学冻土研究所硕士学位论文题目汇总