冻融作用下粉质粘土导热系数试验研究

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冻土是一类非常特殊的岩土工程材料,它与常规融土的典型特点不同的是有冰的大量存在。冻土由土颗粒、土中的水、气体和冰组成的,其性质不但与含冰量有关,更与温度有紧密的联系,具有更为复杂的物理力学性质和热物理。冻土温度场的测定与模拟是分析工程构筑物与冻土之间的相互作用关系的重要指标,它反映了在环境温度变化时,土体内部从较热部分向较冷部分传递热量的能力。如何合理的分析和评价土体在冻结和融化状态下的导热系数对于模拟土体非稳态温度场已经成为工程建设和理论研究中的一个重要问题。本文以松嫩平原地区季冻区的粉质粘土为研究对象,在试验室通过瞬态法和稳态法准确测定土体的导热系数。同时,由于土体温度场的影响因素众多,如何正确建立数值模拟模型也是本文研究的关键问题之一。本文首先对粉质粘土的物理性质进行试验研究,主要包括天然及界限含水量试验、冻土密度试验、颗粒分析试验和击实试验等,明确其基本的本构关系;然后,采用瞬态热线法和稳态热流计法分别测定该地区粉质粘土的导热系数,及其主要的影响因素,并对这两种方法的试验结果进行分析比较;最后,采用ABAQUS有限元软件,并基于瞬态热线法对粉质粘土的温度场进行数值模拟。通过建立基本模型,划分网格,施加荷载以及运行热分析模块等步骤,对土体试样的瞬态温度随时间及其距热源中心的距离进行研究。通过本文的试验研究可以看出,粉质粘土的未冻土与冻土的导热系数均随着干密度和含水率的增大而逐渐增大,呈现出正相关的变化规律,相关度较高。有限单元法的模拟结果表明,冻土试样的导热系数大于未冻土试样的导热系数,对于达到相同的瞬时温度,距离土体表面越远,其需要的时问越长,亦其从冻土状态转变为未冻土状态的时间需要的时间越长,变化的越慢。
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