土壤凍結(jié)過程的熱格子Boltzmann方法模擬及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、由于凍脹引起的鐵路、公路安全問題以及對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)、地鐵建設(shè)工程的重視,國家已把土壤凍融的水熱遷移問題列為凍土學(xué)重點(diǎn)研究內(nèi)容。其中土壤溫度分布、凍結(jié)時(shí)間及水分遷移變化規(guī)律在道路建設(shè)及工程應(yīng)用方面起著非常重要的作用。由于土壤固液相變過程的熱傳導(dǎo)方程是非線性的,宏觀方法無法準(zhǔn)確的求解該過程,而格子Boltzmann是一種高效、方便求解非線性問題的方法,它將成為介觀問題研究方法的發(fā)展趨勢(shì)。
　　鑒于此,本文采用熱格子Boltzmann方

2、法模擬研究了不同工況下一維非飽和土壤凍結(jié)過程中溫度分布,得到了不同深度處土壤完全凍結(jié)時(shí)間、凍結(jié)持續(xù)時(shí)間及未凍水含量;并搭建了深度為2m的土壤凍融實(shí)驗(yàn)臺(tái),完成了土壤凍融前基本物性參數(shù)的測(cè)定,包括土壤干密度、初始含水量、孔隙率及土壤顆粒配級(jí);此外,根據(jù)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)可研究內(nèi)容給出了完整的實(shí)驗(yàn)步驟及設(shè)計(jì)方案,并測(cè)試了冷端溫度為-12℃時(shí),不同深度處土壤溫度分布及未凍水含量變化。
　　研究結(jié)果表明:
　　(1)通過與近似解及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分

3、析可得,本文建立的熱格子Boltzmann模型可以較準(zhǔn)確的模擬一維土壤凍結(jié)過程;
　　(2)冷端溫度越低,土壤凍結(jié)過程中快速凍結(jié)階段持續(xù)時(shí)間越短,當(dāng)相變界面進(jìn)入固相區(qū)后存在溫度的突變,主要是由于相變界面的移動(dòng)性造成的;
　　(3)初始含水量及干密度越大,土壤熱擴(kuò)散系數(shù)越小,相變界面向前移動(dòng)的速度越慢;
　　(4)對(duì)土壤溫度分布、完全凍結(jié)時(shí)間影響最明顯的是冷端溫度,其次是初始含水量及干密度;
　　(5)冷端周期循環(huán)

4、控制方式對(duì)土壤平均溫度分布影響不明顯,對(duì)地表溫度影響較大;
　　(6)由于孔隙率的增大,相同深度處碎石土凍結(jié)后溫度最低,黃土次之,亞粘土溫度最高;
　　(7)對(duì)于季節(jié)性粉質(zhì)粘土,采用Minitab軟件擬合得到了不同深度處土壤完全凍結(jié)時(shí)間和凍結(jié)持續(xù)時(shí)間與冷端溫度、水分、干密度等影響因素的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。
　　(8)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相同深度處不同位置上的土壤溫度及含水量略有差異;不同深度處土壤溫度隨著時(shí)間的推移逐漸下降,含水量暫