寒区路基工程与多年冻土间的相互作用分析研究

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1、￥、78$677中请同济大学j【学硕士学位论文寒区路基工程与多年冻土间的相互作用分析研究(-}，嘲科+■先知识刨新工程ne大碰n一竹撒锉捎工程与多年冻土⋯灯棚?i作用)培养单位：土木工程学院一级学科：土木工程二级学科：结构工程研究生：朱正刚指导教师：钱江教授二oo五年五月摘要本文基于Harlan水热耦合模型，对多年冻土地区水分场、温度场耦合计算进行探讨，研究在多年冻土地区修筑铁路路基对多年冻土稳定性的影响，提出了影响多年冻土基本性质以及冻土冻结和融化的因素，分析了正冻土、已冻土和正融土中的成冰作用，指出了未冻水的不等量迁移规律、冰的自净作

2、用和冰的共生生长现象，并对多年冻土区开发中存在的环境问题、防治冻害以及保护和改善冻土进行研究，在此基础上，本文给出了多年冻土路基工程基本物理参数的影响因素和计算方法，并进一步指出多年冻土地区路基冻害的主要形式和影响冻土路基稳定的因素。本文将Harlan一维水热耦合方程扩充为二维，阐述了水热耦合方程的有限元和有限差分计算过程，充分考虑了各种影响因素，建立了水热耦合二维物理计算模型。对该模型采用有限元和有限差分法进行数值离散，通过对该物理模型数值计算，分析了修筑铁路路基对原天然路面热稳定的影响，铁路路基改变了原天然地面的传热形式，但也有条件地

3、提高了路基下多年冻土上限。而全球气候的变暖，也影响到建筑在多年冻土上的铁路路基热稳定性。本文对某路段未来十年内全球气候变暖对路基的影响进行了数值模拟，并对多年冻土上限的变化进行分析，得出结论是在未来10年内，多年冻土及路基下温度场仍比较稳定，但随着气温的升高，多年冻土上限下降是不可避免的趋势。最后，对今后有待进行的工作进行了讨论。关键词：多年冻土上限，未冻水量，地温年变化深度，有限元，有限差分，数值模拟ABSTltACTABSTRACTBasedonHarlanmodelofcoupledheatandmoisturetransferen

4、ceinpartiallyfrozenground，coupledtemperaturefieldandmoistureflowinpermafrostreg"onsandmutualeffectofroadbedandnaturalgroundalepresented．Theruleoftransferenceofunfl'ozenwaterinfrozensoilsisalsoanalyzed．Furthermore，calculationofphysicalcoefficientsoffrozensoilsandtheireffec

5、tsonthestabilityofroadbedatediscussed．ThroughenlargingHarlan-one-dimensionphysicalmodeltotwo—dimensioncoupledheatandmoistureequations，thedifferentialequationsoftemperatureandmoistureflowareestablished．Animplicitfinite—difference，Crank—Nicolsonmethod，andGalerkinfiniteeleme

6、ntmethodareusedtosolvetheseequations．Accordingtothesolutionoftheequations，constructionofroadbedbreaksthebalanceofthermalfieldandmoisturetransportofnature，butontheotherhandnaturalpermafrosttableisenhanced．However,stabilityofroadbedconstructedonpermafrostregionswillbeinevit

7、ablyaffectedbyglobalwarming．Accordingtothenumericalsimulationofthesetwocoupledfields，naturalpermafrosttableisinescapablygoingdownwardbutroadbedwillmaintainstableinspiteofglobalwarmingduringthenexttenyears．KeyWords：permafrosttable，unfrozen-watercontent，depthofzeroannualamp

8、litudeofgroundtemperature，finiteelement，implicitfinite．difiefence，numericalsimulationIl学位论文版权使用授