| 题名 | 冻融作用下非饱和黄土水热运移规律及其HYDRUS模拟 |
| 作者 | 孙丽源 |
| 答辩日期 | 2019 |
| 导师 | 丑亚玲 |
| 关键词 | 非饱和黄土 水热迁移 室内试验 冻融循环 HYDRUS-1D 数值模拟 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 英文摘要 | 在季节性冻土区,经历周期性冻融作用的土体内部结构及颗粒组成会发生变化,导致土体内部水分及温度发生重新分布,从而直接影响土体承担外界荷载的能力。土体在冻结、融化过程中内部水分及热量迁移的特性是季节冻土区土体稳定性研究的基础与关键,其研究对于预防不均匀冻胀融沉导致的工程问题具有重要意义。本文通过室内冻融试验分别研究了补水条件下冻融过程中不同初始含水量及不同循环次数下土体内部水分及热量迁移规律,并在试验的基础上开展了基于冻融循环作用下的非饱和黄土水热迁移过程的数值计算研究—利用有限元软件HYDRUS-1D建立了冻融循环条件下一维土柱模型并进行了数值计算分析。主要研究成果如下:1)在冻融过程中,土壤热通量发生变化,进而引起土体内部水分发生迁移,导致土体物理性质发生改变。本文利用滤纸法进行了土体土水特征曲线的测定,同时利用美国盐土实验室研发的RETC软件对土水特征曲线进行拟合,从而获取数学模型中需要的饱和含水量、残余含水量等相关水力学参数。2)利用室内土柱水热迁移试验分析不同初始含水量及不同冻融次数条件下,土体未冻水含量及温度沿轴向各深度的分布情况及随时间的变化规律。主要结论包括:冻结阶段,土柱内未冻水含量随时间的变化经历“快速下降—缓慢下降—达到稳定”的过程,在同一温度梯度下,初始含水量越高土体冻结越快,越靠近冷浴板的土层其未冻水体积含水量变化越明显,未冻水含量达到稳定时沿轴向深度的增加而逐渐增加(底端补水);融化阶段,土体内部水分会重新分布,顶部土层未冻水体积含水量增加速率大于中部及下部土层,且顶板附近土层最先完成融化,未冻水含量最先达到稳定状态;冻结和融化过程中温度随时间的变化过程都呈现“快速变化—缓慢变化—达到稳定”的规律,且土体温度变化随深度的增加呈现滞后性和衰减性的特点;随着冻融循环次数的增加,沿轴向各深度位置处未冻水体积含水量变化的曲线逐渐靠近,说明冻融作用对未冻水体积含水量的影响逐渐减弱;在稳定补水条件下,连续的冻融循环会导致土柱中部出现明显的水分富集现象。以室内试验为原型,建立冻融循环过程中土体水热迁移的HYDRUS-1D模型,利用数学模型对土体水热迁移相关的水力学参数及热力学参数进行率定,并利用试验数据评价指数对模型拟合效果进行评价,结果显示:除顶部土层由于受外界环境因素影响较大而导致的数据拟合效果略差外,模型能较精准地模拟试验环境下的土体物理性质及水热迁移现象。同时,本文利用建立的HYDRUS-1D模型计算分析了不同温度梯度及不同大气边界条件对土体内部水热迁移过程的影响。结果发现:在冻结过程中,不同温度梯度作用下土体温度和未冻水含量的变化过程大致相同,两者达到稳定所需要的时间随着温度梯度的增大而减少,即温度梯度越大,土体温度达到稳定所需要的时间越短;融化过程中,温度梯度对土体温度及未冻水含水量的影响与冻结过程相似;相同温度梯度下,未冻水含水量达到稳定所需的时间与温度不具有同步性。大气边界条件下,有无水膜存在对土柱内部温度迁移过程的影响较小,但对土柱含水量变化影响较大。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 68 |
| URL标识 | 查看原文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.lut.edu.cn/handle/2XXMBERH/94654]  |
| 专题 | 兰州理工大学 |
| 作者单位 | 兰州理工大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 孙丽源. 冻融作用下非饱和黄土水热运移规律及其HYDRUS模拟[D]. 2019. |
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