| 题名 | 饱和正冻土的水热力混合物模型与通风路基冷却机理数值试验研究 |
| 作者 | 苏波 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2003 |
| 授予单位 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 授予地点 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 导师 | 李宁 |
| 关键词 | 混合物理论 饱和正冻土 水热力藕合模型 多孔介质 自由能 耗散势 本构关系 通风路基 冷却效应 人工调控 |
| 其他题名 | Modelling of the Saturated Freezing Soil with Mixture Theory and Numerical Tests on Cooling Effects of the Ventilated Ducts |
| 中文摘要 | 本文包括三方面的内容，第一部分是基础研究，运用混合物理论，推导了饱和正冻土水热力藕合模型；第二部分是工程应用，探讨了通风路基冷却机理与设计原则；最后一部分是对前面两部分的总结、讨论与展望。冻土的水、热迁移与成冰过程本质上是多孔介质含相变的固、液、气与热藕合问题，它们之间的相互作用非常复杂。混合物理论作为建立在连续介质力学和热力学基础上的一种先验理论，能够为力学本构理论的建立提供指导，并且具有很强的处理多相介质中复杂相互作用的能力。以混合物理论为基础，推导了饱和正冻土土颗粒骨架相、冰相与未冻水相含相变的质量守恒方程，动量平衡方程和能量守恒方程，并在对饱和条件求物质导数和求空间梯度的基础上将饱和条件与Lagrange乘子八的乘积引入到墒不等式。通过嫡不等式的推导，得到了以自由能和耗散势表达的非线性本构关系和场方程。通过将耗散势表示为独立本构变量二阶不变量的线性多项式，得到了饱和正冻土本构方程耗散部分的线性关系，并且通过熵不等式的讨论，给出了本构关系耗散部分线性方程的热力学参数的限制条件；同样通过自由能函数在热力学近平衡态的Taylor二阶展开式得到了饱和正冻土本构方程非耗散部分的线性关系，推导了饱和正冻土完整的本构方程线性关系以及土颗粒骨架、冰和未冻水相的线性动量平衡方程和混合物整体的线性能量守恒方程。在线性化本构方程和场方程的基础上，针对饱和正冻土正冻区、己冻区和未冻区的特点，给出了考虑热传导、热膨胀、对流扩散效应、压力变化、体积变化、相变等影响因素在内满足热力学限制条件的饱和正冻土水热力祸合混合物模型；在特定的条件下（等温、不含相变）该模型的场方程能够自然蜕化为Darcy定律和Biot固结方程，验证了该模型的正确性；同时，在正冻区，通过相变条件白讨论，由冰相与未冻水相化学势相等的关系，从混合物理论的角度推导出了描述沮度与相压力关系的Alausius-Clapeyron方程。在第二部分探讨通风路基冷却机理与设计原则的过程中，主要进行了下茵的工作：探讨了通风管的边界条件，特别是在通风管进出口设置帘子工程措施下白边界条件模拟方法；针对设置帘子与不设置帘子两种工况情况，按照影响通风跨基温度场的因素如通风管管径，通风管管间距，通风管埋设深度及路堤高度等设计了大量的对比数值仿真试验，对通风路基温度场进行了系统的对比分析，得出的结论主要有：与普通路基相比，通风路基可使年平均地温降低1.0～2.0℃，具有明显的主动保护多年冻土的作用；从冬季的降温效果来看，通风管间距越小，降温效果越好；但是在夏季，由于通风管吸热的影响，管间距越小，反而使得冻土地基的地温有所增加。对于小管径的通风管而言，当管间距与管径之比（S／D）＝6时，夏、冬季的综合降温效果更好；在冬季，对于相同的s／D，管径越小，降温效果越好；但在夏季，相对而言，较大管径的通风管布设方式能够取得更好的降温效果；通风管底端距原地表面的高度相同时，此时通风管下的热阻相同，通风管的调温起决定性作用，填土路堤的高度对于地基温度场的影响甚微；采用人工调节通风管边界的方法（拉帘子）取得的降温效果要明显优于不采用人工措施时的降温效果；从负温温度波的传递深度，原地表面以下Zm深度处温度以及各年能量收支状况来看，人工调节方案（拉帘子）比不采用人工措施效果（不拉帘子）的冷却效果要好20％N30％多；针对通风管横贯路堤情况，在温度场分析的基础上，考虑初始应力场、施工期路堤自重与碾压荷载、温度（冻胀）荷载及运行期列车载荷，按照变形等效的方法，对小管径（D＝0.4m）和大管径（D＝1.0m）通风管强度、变形与路基稳定性进行了分析，发现：冻胀产生的变形是主要的，相对而言，由列车分布荷载产生的变形较小；由于混凝土通风管的刚度较大，使得通风管在温度荷载作用下产生较大的拉应力；而且随着通风管径的增大，管内产生的拉应力越大；在综合温度场与变形场分析的基础上，初步探讨了通风路基的设计原则，为通风路基的优化设计提出了建议。最后一部分是对前面两部分的总结、讨论与展望。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-08-22 |
| 页码 | 129 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.casnw.net/handle/362004/21982]  |
| 专题 | 寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 苏波. 饱和正冻土的水热力混合物模型与通风路基冷却机理数值试验研究[D]. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2003. |
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