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原文传递高原多年冻土涵洞温度场及地基土冻融变形规律研究

论文题名：	高原多年冻土涵洞温度场及地基土冻融变形规律研究
关键词：	涵洞;温度场;冻土地区;融沉;冻胀;地基土
摘要：	在高原多年冻土地区修筑铁路时，遇到的主要问题是冻胀和融沉问题，涵洞工程同样也会受到这两大问题的困扰。论文围绕冻土地区涵洞工程中的这两个关键问题与产生这些问题的主要原因——涵洞的设置对下伏多年冻土赋存条件的影响以及新建冻土涵洞地温场变化特征而展开研究：通过现场试验研究，分析路基的填筑与涵洞的施工对多年冻土热状况的影响及涵洞结构不同部位的冻、融变形特征；以流体力学和热力学理论为基础，建立冻土涵洞温度场有限元模型，通过对不同模型进行数值模拟，以了解冻土涵洞温度场变化特征；以渗流理论和热力学为基础，建立冻土涵洞温度场与渗流场耦合作用的有限元模型，并对考虑渗流情况下的涵洞温度场进行数值模拟，以了解渗流对温度场的影响；通过建立冻土冻胀、融沉计算模型，对涵洞地基土进行冻、融变形计算，分析地基土的分层冻、融变形规律。具体表现在： 1．对青藏铁路沱沱河试验段两座拼装式涵洞进行了地温和涵内外气温的长期现场监测，并对观测资料进行了系统的对比分析，了解了适合于青藏高原多年冻土区这一特殊施工环境的涵洞施工工艺、最佳的施工季节、施工对下伏多年冻土赋存条件的影响、涵洞下多年冻土的冻结和融化特征、涵洞内外气温变化特征以及沿涵洞轴向多年冻土上限的变化特征；同时，通过对涵洞结构沉降变形(冻胀与融沉)的监测，阐明了涵洞结构的沉降变形特征，为分析涵洞对该类冻土地基的适应性及冻害防治提供了有用的参考。 2．针对多年冻土地区涵洞温度场是具有导热与对流换热耦合边界并伴有相变的非稳态温度场的特点，基于涵内流体流动为不可压流体充分发展层流流动的假定，建立了涵内流体对流换热的微分控制方程，同时，在非稳态温度场控制方程的基础上建立了伴有相变的冻土体非稳态温度场控制方程，最终推导了涵内流体与涵洞周围冻土体的流一固耦合温度场模型。并用Galerkin法求解涵内流体及冻土体非稳态温度场偏微分方程，采用空间域内的有限元法与时间域内的有限差分法的混合解法进行了涵洞温度场的有限元分析。 3．基于冻土涵洞温度场有限元方程，采用直接耦合方法，在考虑第一类边界条件下，分别对试验矩涵在不同径流情况下的温度场进行了计算，并根据试验涵洞的实际径流情况，将暖季小径流涵洞的计算值与实测值进行了对比，计算与实测结果比较一致，证明了流-固耦合模型的正确性。 4．通过对不同径流情况下涵洞修筑后温度场逐年变化过程进行对比分析，探讨了温度场的变化规律，论证了涵洞修筑后温度场逐年稳定变化所需的年限以及逐年变化较大的年限；了解了涵洞不同位置地基土的最大融化深度及达到最大融深的时间，获得了涵洞修筑后不同年限、不同季节涵内过水或通风对涵洞温度场的影响程度。 5．运用渗流理论和传热学理论，并在总结国内外学者研究成果的基础上，导出了考虑涵洞渗漏水及涵前积水下渗情形下，冻土涵洞温度场一渗流场耦合作用的有限元方程，并采用顺序耦合方法，对暖季小径流过水涵洞在考虑渗流时的温度场进行了计算，讨论了渗流对涵洞地基温度场的影响。结果表明，渗流作用加深了涵洞地基土的季节融化深度，增大了涵下冻土的融化范围，将对涵洞的稳定性造成不利影响。 6．在总结国内外学者研究成果的基础上，基于弹性理论建立了冻土变形场及应力场的计算模型，进而建立了冻土涵洞温度场、水分场、应力场及位移场的耦合数学模型，揭示了温度、水分、应力及位移相互作用的规律以及对冻、融变形的影响，并采用有限元方法对涵洞地基土的冻胀、融沉进行了有限元分析，所获得的冻、融变形规律与实测结果相符，证明了分析方法的正确性。同时，分析了涵洞温度场的动态变化对冻、融变形分布规律的影响以及涵洞不同位置地基土产生的不均匀冻融变形的原因。
作者：	张旭芝
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	王星华
授予学位：	博士
授予学位单位：	中南大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文