地表水对某多年冻土地基温度影响的数值研究

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通过青藏高原沱沱河某路基工程区现场地质勘探发现存在季节性地表积水处的地基土体为融化区而其他区域地基土体为多年冻土区,两者地温情况截然相反。为探究季节性地表积水对多年冻土地基温度的影响;多年冻土水分场与温度场相互影响机理。开展多年冻土区水热耦合机理研究,建立考虑水分迁移携带热量对流的水热耦合数学模型,在COMSOL Multi-physics有限元软件中模拟经典土柱单向冻结试验验证水热耦合数学模型,并通过COMSOL Multi-physics有限元模拟软件计算沱沱河地区某多年冻土地基水热耦合模拟研究将数值,得出季节性地表积水对多年冻土地基温度的影响,并数值模拟该工程区建设完成飞机跑道工程以后跑道道肩处存在季节性地表积水飞机跑道道基及地基工程10年运营期内水分场与温度场变化规律,为以后青藏高原地区类似工程提供一定的依据和参考价值。(1)结合前人工作基础上,考虑水分迁移携带热量因素,得出增加水分迁移热对流项的温度场系数型偏微分方程进一步贴合实际情况的温度场传导数学表达式;根据达西定律和连续方程建立考虑孔隙冰阻滞水分迁移的冻土的水分场控制方程;系统整理研究冻土相变动态平衡关系,建立冻土水热耦合联系方程,达到能在有限元软件中冻土温度场与水分场的实时解析值。(2)所建立的冻土水热耦合数学模型通过COMSOL Multi-physics有限元软件模拟经典土柱单向冻结试验,计算经过120h单向冻结得到土柱的温度场与水分场的数值模拟结果,将数值模拟结果与试验结果进行了比较。结果表明,数值模拟值与试验结果基本一致,证明了所建立的冻土水热耦合数学模型的合理性和数值模拟方法的正确性。(3)建立存在地表积水多年冻土地基模型,研究表明在季节性地表积水的影响下,10年时间内地基从最初的最大融化深度2.25m,地表存在季节性积水的地基最大融化深度达到了7.32m,而地表无季节性积水的地基最大融化深度仅为2.35m,两者相差将近4m,如果随着时间更加长远,地表存在季节性积水下方的地基将全部成为融化区。(4)在地表季节性积水的影响下,地表存在季节性积水的地基体积含水量急速增高,同时因为地基土体体积含水量的增高,造成该区域在冬季相较于地表不存在季节性积水的地基同一深度区域体积含冰量较少,甚至该区域有一部分土体不形成冻土。(5)建立该工程区建设飞机跑道工程后跑道道肩处存在地表积水飞机跑道道基及地基模型,预测10年运营期内地表积水对道基及地基工程的影响,多年冻土地基温度范围深度8.43m,宽度10.35m,所以在飞机跑道工程运营期内增加跑道道肩处盲沟的数量,做好排水工作;在跑道道肩纵向处宜设置深度10m的防水布,防止地表积水向同侧道基下方处扩散。
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