季冻区湖岸构筑物冻害机理及防治方法的研究

论文摘要

本文以长春市区南湖公园、长春公园及雕塑公园的湖岸构筑物及作为其地基的季节性冻土为研究对象,结合建设部软科学研究项目“湖岸构筑物冻害分析及处理”（NO.06-K1-10）,采用室内试验、室外观测和数值模拟相结合的方法,对研究区湖岸船台桩基础冻拔破坏和湖岸挡土墙水平冻胀破坏两种典型湖岸构筑物冻害形式的产生机理、发展规律及影响因素进行了系统的研究,填补了国内季冻区人工园林湖岸冻害研究的空白。本文结合室内外试验结果,基于O’Neill和Miller的刚性冰模型、局部热平衡及力平衡的观点、Duhamel原理、Harlan模型和热弹塑性冻胀计算模型分别建立了三维饱和冻土三场耦合方程和二维非饱和冻土三场耦合方程,应用大型有限元软件ANSYS对开放系统下饱和土体冻胀过程和非饱和土体冻胀过程进行了数值模拟,为防冻害措施的研究提供了理论基础和科学依据。采用精密水准测量法对船台桩基础的冻拔现象开展低温原位测量,首次在低温条件下运用精密钢尺量距法原位量测湖岸挡土墙的水平冻胀位移数据。研究发现,挡土墙曲线形状及墙背地貌对挡土墙冻胀特性的不同影响,填补了国内空白。研发的套筒防冻拔工程措施及单隔离层挡土墙冻害防治工程措施经济成本大幅度减少,防冻胀效果显著,并适于湖岸园林建筑。本文的研究为季冻区人工园林湖岸防冻胀工程的深入研究提供了客观依据,具有较高的技术与经济参考价值。

论文目录

• 内容提要
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的依据和意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 实测冻害数据的意义
• 1.1.3 冻害机理研究的意义
• 1.2 冻土的国内外研究概况
• 1.2.1 国外冻土研究概况
• 1.2.2 国内冻土研究概况
• 1.2.3 国际冻土大会（ICOP）概况
• 1.3 国内外冻胀问题研究现状
• 1.3.1 国外冻胀问题研究现状
• 1.3.2 国内冻胀问题研究现状
• 1.3.3 土体冻胀机理及防治研究的不足
• 1.4 本文的主要研究内容及技术路线
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 第2章 研究区湖岸季节冻土成分特征及理化性质
• 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 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 冻结温度及未冻水含量
• 2.3.2 比热
• 2.3.3 容积热容量
• 2.3.4 导热系数
• 2.3.5 导温系数
• 2.4 季节冻土的质交换系数
• 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3章 近水湖岸土体冻胀敏感性试验分析
• 3.1 冻胀敏感性影响因素
• 3.2 试验方案及过程
• 3.2.1 试验方案
• 3.2.2 试验仪器
• 3.2.3 土样制备与试验步骤
• 3.3 试验结果及分析
• 3.3.1 初始含水量
• 3.3.2 冷端温度
• 3.3.3 土的冻融作用
• 3.3.4 补水条件
• 3.4 小结
• 第4章 湖岸构筑物冻拔研究
• 4.1 冻土的冻胀力
• 4.1.1 法向冻胀力
• 4.1.2 切向冻胀力
• 4.2 冰的膨胀力
• 4.3 湖岸船台桩基础冻拔位移观测
• 4.3.1 船台基础桩冻拔位移观测实验方法
• 4.3.2 冻拔位移观测点布置
• 4.3.3 冻拔位移观测实验研究期的选定
• 4.4 湖岸船台基础桩冻拔位移实验结果及位移曲线特征分析
• 4.4.1 船台桩基础实测冻拔位移实验结果
• 4.4.2 船台桩基础实测冻拔位移曲线特征分析
• 4.5 饱和冻土三场耦合过程数值分析
• 4.5.1 基本假定
• 4.5.2 饱和颗粒土单向冻结时水热耦合过程的理论研究
• 4.5.3 三场耦合模型的建立
• 4.5.4 数值模拟
• 4.6 湖岸船台桩基础冻拔危害的工程防治措施
• 4.6.1 工程防治措施
• 4.6.2 工程防治措施的原位实验措施监测及效果评价
• 4.7 小结
• 第5章 湖岸构筑物水平冻胀研究
• 5.1 作用于湖岸挡土墙上的法向冻胀力与切向冻胀力
• 5.2 湖岸挡土墙水平冻胀位移观测实验研究
• 5.2.1 湖岸挡土墙水平冻胀位移实验
• 5.2.2 湖岸挡土墙水平冻胀位移实验结果
• 5.2.3 湖岸挡土墙实测水平冻胀位移曲线特征分析
• 5.3 非饱和冻土三场耦合过程数值分析
• 5.3.1 基本假定
• 5.3.2 非饱和颗粒土单向冻结时水热耦合过程的理论研究
• 5.3.3 三场耦合模型的建立
• 5.3.4 数值模拟
• 5.4 湖岸挡土墙水平侧移冻害的工程防治措施
• 5.4.1 工程防治措施
• 5.4.2 挡土墙冻害防治措施的工程实验
• 5.4.3 挡土墙冻害综合治理措施的创建
• 5.5 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢