考虑材料非线性和移动边界时黏土的冷冻过程与模型试验相似准则研究

In the freezing process of clay, the water/ice ratio changes with the change of temperature, leading to a significant change of the thermal conductivity and specific heat related to the composition of soil and the latent heat released from pore water. Moreover, the third and fourth boundary conditions are ubiquitous in the freezing process of clay. Therefore, the freezing process of clay is a typical material nonlinear and boundary nonlinear problem. Based on the above facts, the nonlinear thermal equation of clay freezing process was established and solved by the separation variable method, Laplasse transform method, heat source method, integral method, perturbation method and numerical method. According to the analytical solution under special conditions and the thermal process with a general conditions, the similarity criteria for the two boundary conditions are established based on dimension theory and similarity principle. On this basis, the model soil is prepared and the scale nonlinear freezing model test is carried out. Meanwhile, the freezing process analysis program reflects the nonlinear change of thermal parameters is developed and used for the calculation, and the calculation results are compared with model test values and field measurement values, thus to verify, improve and perfect the established similarity criterion. The heat equation and it’s analytic solutions for the nonlinear freezing of clay are obtained considering the variation of thermal parameters with the temperature, the similarity criterion and it’s model soil preparation scheme are obtained considering the influence of multiple boundary condition.

黏土在冻结过程中的水/冰占比随负温的改变而变化，从而导致与其组分和潜热相关的导热系数和比热发生显著改变。另外，黏土冷冻模型中应考虑第三边界条件的影响。本项目拟基于以上事实建立考虑材料非线性和边界非线性的黏土冻结过程热方程并进行求解，基于量纲理论和相似原理建立相应的相似准则。在此基础上，将原型土视为由骨架和孔隙填充物组成的复合材料，根据比热和导热系数应满足的相似指标研究模型土骨架和孔隙填充物应满足的热参数条件。研究3D打印技术制备模型土骨架和某种盐的水溶液制备孔隙填充物的途径，以完成模型土的制备并进行缩尺冷冻模型试验。同时，开发能反映上述两种非线性问题的热分析程序并进行计算，将计算结果与模型试验和现场监测进行对比，验证、改进和完善建立的计算模型和模型土制备方案。从而得到热参数随负温变化的适用于黏土非线性冷冻的热物理方程及其解答和考虑多重边界条件影响的模型试验相似准则与相应的模型土制备方案。

黏土在冻结过程中的水/冰占比随负温的改变而变化，从而导致与其组分和潜热相关的导热系数和比热发生显著改变。分析冻土导热系数导热系数对冻土温度场的贡献，并对冻土的组成和导热系数随不同负温变化的原因。本项目基于以上事实建立考虑材料非线性和边界非线性的黏土冻结过程热方程并进行求解，针对冻土热参数、土水势在不同温度条件下的变化趋势缺乏统一表述的问题，提出了冻土冻结势概念。在此基础上，在考虑第三类 边界条件对相似准则影响的基础上，导出了模型土应满足的热物性相似条件。在此基础上，分别利用ABAQUS有限元软件对线性、非线性以及考虑第三类边界条件的原型和模型温度场进行了数值模拟，并对冻结过程中特征点的温度演变过程进行了分析。. 研究土中水相变(潜热)热传导过程中冻结温度场演变规律，构建了稳定线性冷源作用下单管冻结相变温度场模型,由变量替换法求得冻结温度场随冻结时间演变规律近似解析解，同时利用指数积分函数解析式表达了冻结区和未冻结区的温度场分布，并将理论解析解与冻结槽试验结果进行比对。同时，开发了反映两种非线性问题的热分析程序并进行计算，将计算结果与模型试验和现场监测进行对比，验证、改进和完善建立的计算模型和模型土制备方案。得到了热参数随负温变化的适用于黏土非线性冷冻的热物理方程及其解答和考虑多重边界条件影响的模型试验相似准则与相应的模型土制备方案。在此基础上，对制冷设备的换热特性及影响因素进行了分析，提高制冷过程中能量的利用率。. 在考虑第三边界条件的基础上，根建立模型和原型之间的精确关系，使用等数量的科索维奇条件导出了温度相似性标准。基于相关的偏微分方程，确定了流场的相似性准则。使用弹性模型推导出来应力场和荷载的类似标准。建立相应的相似准则并研制相应的模型土材料，对揭示冻土的冻结过程及温度场演变机理具有重要的理论意义，对寒区工程建设和冻结法施工的设计与实施具有重要的社会意义和经济价值。同时，对完善岩土工程模型试验理论也具有积极意义。