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高温多年冻土钻孔灌注桩热力学分析及模型试验研究

作　者: 潘艳霞
导　师: 王旭
学　校: 兰州交通大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 多年冻土钻孔灌注桩回冻过程有限元法模型试验
分类号: TU445
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

冻土由于含有固体冰相,随着温度的变化,固态冰与液态水之间相互转变,形成冻土复杂的物理力学特性。由于桩基础对冻土地基温度场扰动小,符合保护冻土的原则,且桩基础具有承载能力高、抗冻能力强和施工简便等优点,宜作为多年冻土地区永久性建筑物基础。多年冻土地基中钻孔灌注桩有多种施工方法,各种施工方法均会给天然冻土地基带来扰动,同时输入一定的热量,尤其是桩身混凝土灌注后,因混凝土水化热的作用,给天然冻土地基带来热扰动,热量的输入会导致天然温度场的改变,使桩周一定范围内冻土融化,导致基桩承载力降低。钻孔灌注桩灌注后的回冻过程是桩周土体与桩身混凝土热量交换的过程,桩身混凝土水化热的减少及周围冻土对桩侧不断的吸热,桩身混凝土逐渐降温,桩周土体的温度与桩身温度不断达到平衡。经历一定时间后,地基土恢复冻结状态,基桩形成承载力。由于冻土的特殊性质(如强烈的流变性质),冻土地基中基桩现场试验周期长、边界条件不宜控制且耗资大。开展室内冻土模拟试验是研究冻土地基中桩的承载行为的有效方法,可以根据研究问题的特点,控制和改变边界条件,模拟不同工况,可为现场试验、工程设计和施工提供必要的数据和经验。本文通过室内室内冻结试验,在不同温度环境条件下研究了土的冻结过程,分析了冻土中冰的形成过程；进行了室内冻土冻结模型试验,得到了切向冻胀力随深度的变化曲线；当温度稳定到一定范围时,得到了不同荷载下桩身轴力的变化曲线,冻结力随深度的变化曲线。本文运用ANSYS有限元分析软件,采用数值模拟的方法,对青藏铁路清水河试验段高温多年冻土地基钻孔灌注桩回冻过程的温度场进行了模拟,建立温度场计算模型,考虑了混凝土水化热的影响,对桩及桩周土进行热学分析,得到了回冻过程桩周土的温度等值线图,给出了不同深度处温度随时间变化的曲线以及温度随深度的变化曲线。在确定的温度场条件下,进行温度场与应力场的耦合计算分析,得到了冻结力随深度的变化规律。本文研究所得到结果为多年冻土地基中钻孔灌注桩的研究提供有益的参考。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-12
  1.1 多年冻土的定义及基本组成  9
  1.2 多年冻土的分布  9-10
  1.3 冻土的工程常用分类  10
  1.4 多年冻土的上限下限  10-11
  1.5 本文的研究内容和意义  11-12
2 多年冻土的性质  12-28
  2.1 冻土力学的研究现状  12-13
  2.2 多年冻土的物理力学性质  13-21
    2.2.1 冻土的相成分  13
    2.2.2 冻土的基本物理指标  13
    2.2.3 冻土的热物理指标  13-14
    2.2.4 冻土的力学性质  14-21
  2.3 多年冻土地基中桩的特殊技术问题  21-23
    2.3.1 冻土区基桩受力  21-22
    2.3.2 土体的冻胀与融沉  22-23
  2.4 多年冻土地基钻孔灌注桩的特点  23-28
    2.4.1 钻孔灌注桩的适用性  23-24
    2.4.2 桩基础竖向承载力的影响因素及破坏形式  24-26
    2.4.3 多年冻土钻孔灌注桩施工中的问题  26-28
3 高温多年冻土地基钻孔灌注桩热力学有限元分析  28-59
  3.1 试验场地工程概况  28
    3.1.1 工程简介  28
    3.1.2 工程水文地质条件  28
  3.2 多年冻土地基中钻孔灌注桩的回冻过程分析  28-31
    3.2.1 桩身混凝土的传热过程  29-30
    3.2.2 回冻过程的影响因素  30-31
  3.3 天然地温场由于桩的施工产生的热扰动  31-35
    3.3.1 温度场控制微分方程  31-33
    3.3.2 桩体材料水化热及与桩周土体热力学计算  33-35
  3.4 钻孔灌注桩施工对冻土热影响的有限元分析  35-54
    3.4.1 计算模型的建立及基本假设  35-37
    3.4.2 计算方法及边界条件的确定  37-38
    3.4.3 基本参数选取  38
    3.4.4 数值计算结果分析  38-54
  3.5 多年冻土区竖向荷载作用下桩的力学分析  54-59
    3.5.1 计算模型的建立及基本假设  54-56
    3.5.2 力学参数的选取  56
    3.5.3 计算结果分析  56-59
4 室内冻结试验介绍及结果分析  59-75
  4.1 模型试验相似理论  59-60
  4.2 试验装置  60-62
  4.3 试桩材料的选择  62-63
  4.4 试验的基本过程  63-64
  4.5 桩周土的物理力学性质  64
  4.6 试验研究内容与目的  64-74
    4.6.1 冻土的形成过程  65-67
    4.6.2 切向冻胀力随深度的变化  67-69
    4.6.3 加载方法及该试验的加载要求  69-71
    4.6.4 试桩静荷载加载结果  71-74
  4.7 试验小结  74-75
5 结论与展望  75-77
  5.1 结论  75-76
  5.2 展望  76-77
参考文献  77-80
致谢  80-81
攻读学位期间的研究成果  81

高温多年冻土钻孔灌注桩热力学分析及模型试验研究

内容摘要

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