土中水分在冻融过程中的迁移

论文摘要

我国季节冻土分布广泛,面积约为513.7×104km2,约占全国陆地面积的53.5%。由于许多地区冻结主要发生在地表2~3m的范围内,主要是非饱和土的冻融问题。在季节冻土区,许多工程危害与冻融过程中土中水分的迁移有密切关系。国内外相继投入了大量的人力物力研究土中水分的迁移机理,至今尚未形成一致的认识,没有一个广泛接受的模型。本文研究非饱和粉质粘土在冻融过程中的水分迁移规律,主要成果包括:1、借助我院新建土木工程低温实验室的XT5405B型高低温冻融循环试验箱、DT615数字采集系统和T型热电偶等试验仪器,组成一套室内水分迁移试验装置,工作性能良好。通过调节试验箱顶板、底板和箱体的温度模式,试验研究在正冻和正融试验条件下原状和重塑粉质粘土中水分的迁移,得到了试样中温度场、温度梯度、冻结锋面、含水量、融冻界面、水分迁移量等方面试验结果及变化规律。2、试验包括7个原状土试样和10个重塑土试样。在其他试验条件相同的条件下,改变初始含水量或温度模式,研究了单个因素对水分迁移的影响。两种类型土的试验结果均表明,冻结时顶板负温越高,初始含水量越大,经冻结并融化到设定位置时,水分积聚现象越明显,水分聚集层的含水量越大。重塑土试验结果表明,冻结后在试样中间部分会出现含水量增大很明显的土层,出现的位置受初始含水量的影响不明显,控温模式影响比较明显;融化到设定位置后,在融冻界面处会出现水分积聚的土层,初始含水量越大水分积聚现象越明显。3、水分迁移模型的建立分为冻结和融化两个过程。冻结过程中水分主要以水汽扩散的形式迁移,考虑温度梯度的影响来修正Fick定律,建立了冻结过程中水分迁移模型;在非饱和土的达西定律公式里加入温度引起的水分迁移项,建立了融化过程中水分迁移模型。然后编写了计算程序。4、以试验测得的不同深度处含水量为目标,应用遗传算法程序来反演模型中不能通过试验测得的参数。由本模型计算的四个试样的含水量沿深度的分布曲线和试验曲线吻合的比较好,说明本文建立的模型是实际可用的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 土中水分在冻融过程中迁移研究的发展历史和现状
• 1.2.1 冻土中水分迁移的研究概况
• 1.2.2 冻土中水分迁移的室内试验研究
• 1.2.3 冻融土中水分迁移的数学模型研究
• 1.3 本文的内容安排
• 第2章 土中水分在冻融过程中迁移的试验
• 2.1 引言
• 2.2 试验仪器
• 2.2.1 冻融循环试验箱
• 2.2.2 其他试验仪器
• 2.3 试验方案
• 2.3.1 试验设计
• 2.3.2 试验方法及步骤
• 2.4 本章小结
• 第3章 试验结果分析
• 3.1 原状土试样的水分迁移试验
• 3.1.1 试验现象
• 3.1.2 试样冻融过程中温度场分析
• 3.1.3 试样冻融前后含水量变化分析
• 3.2 重塑土试样的水分迁移试验
• 3.2.1 试验现象
• 3.2.2 试验冻融过程中温度场分析
• 3.2.3 试样冻融前后含水量的变化
• 3.3 原状土试样和重塑土试样中水分迁移的对比
• 3.4 本章小结
• 第4章 水分迁移模型的建立
• 4.1 引言
• 4.2 冻土中水分的类型及水分的迁移
• 4.3 影响水分迁移的因素
• 4.4 冻结过程水分迁移模型的建立
• 4.4.1 冻结过程中水分迁移的描述
• 4.4.2 冻结锋面随时间变化的曲线及各截面温度梯度的计算方法
• 4.4.3 冻结过程中水汽迁移的扩散模型
• 4.4.4 土体冻结后含水量计算程序
• 4.5 融化过程中水分迁移模型的建立
• 4.5.1 融化过程中水分迁移过程的描述
• 4.5.2 融冻界面随时间变化的曲线及各截面温度梯度的计算方法
• 4.5.3 融化过程中水分迁移的渗流模型
• 4.5.4 土体融化后含水量计算程序
• 4.6 本章小结
• 第5章 模型参数的反演
• 5.1 引言
• 5.2 遗传算法简介
• 5.2.1 遗传算法的具体实施
• 5.2.2 本文采用的遗传策略
• 5.3 反演冻结模型参数
• 5.3.1 冻结模型中已知量
• 5.3.2 冻结模型参数的反演
• 5.4 渗流模型参数反演
• 5.4.1 渗流模型中已知量
• 5.4.2 渗流模型参数反演
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 本文的主要工作与成果
• 进一步工作的展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢