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39560字硕士毕业论文高温冻土热力性质综述的概率统计应用

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:39560字
论点:冻土,参数,热学
论文概述:

目前研究结果只能对高温冻土长期孺变变形和长期强度进行定性分析或者只能通过少量的试验数据确定,而且用长期强度方程的外推数据预报长期强度存在着较大的不确定性,需要将概率统计方

论文正文:

第一章导言

1.1研究背景和意义
由于土壤的可变性,土壤的物理和机械性质将随时间和空而变化。在岩土工程设计过程中,从勘探到测试,从参数选择到设计计算,从现场监测到反演分析,都存在很大的不确定性⑴。岩土工程的状态由有限数量的相互独立的参数决定。岩土工程设计的可靠性取决于对岩土性质的理解和参数的确定。岩土热学和力学参数的合理取值是解决岩土工程问题的前提和基础。只有采用具有一定可靠性的参数,才能优化工程设计,保证工程安全。然而,描述岩土条件的大多数参数是随机变量,通常来自实验或调查统计。用安全系数粗略估算已不能满足工程设计可靠性的要求。我们需要使用随机模型来描述岩土参数的随机变量。当然,非确定性问题应该通过研究非确定性数学模型——概率论和数理统计来解决。概率统计方法的应用可以预测和估计这种不确定性。冰低于摄氏零度的岩土材料统称为冻土。它是由矿物颗粒、冰、未冻水和气体组成的多组分多相介质,结构复杂。冻土对温度极其敏感,具有流变特性。它的长期强度远远低于瞬时强度。冻土作为一种特殊的土壤,其变异性比融化土更为显著,因此对冻土的物理力学性质进行概率统计分析十分必要,可为寒冷地区的工程设计提供参考。根据冻土的持续时间,冻土可分为季节性冻土和多年冻土。冻土已经冻结两年多了,而季节性冻土只在冬天冻结,夏天融化。冻土广泛分布在地球上,约占全球陆地面积的50%,其中冻土约占23%,主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国等国家。
在自然因素和人为因素的共同影响下,多年冻土退化,大部分多年冻土逐渐演变成“高温多年冻土”(0?-1.5 C),与低温冻土相比,高温冻土的温度范围位于冻土的剧烈相变区域,对温度极其敏感,其物理力学性质极易受到温度等外部环境的影响,从而造成很大的不确定性和分散性。同时,高温会降低冻土的强度,降低承载力,降低工程稳定性[4,5]。多年冻土区典型的常见地质问题是融沉和冻胀。频繁的人类生活和生产活动对寒冷地区的环境有很大影响,改变了热交换条件和输水过程,导致地温迅速上升,冻土开始融化并引起融化沉降,冻结过程中水的迁移和体积膨胀也导致冻胀。冻土冻融循环过程的加速使得这两种病害更加严重,并产生了巨大的负面影响,经常导致冻土环境丧失其恢复能力[13]。冻土退化对冻土路基的稳定性有很大的破坏作用。据统计,青藏公路路基损坏85%是由融沉引起的,15%是由冻胀和翻顶引起的。冻土路基严重冻胀变形一般发生在次年的12月至1月,伴随着缓慢的融沉过程,严重沉降变形的发生时间为4月至7月。然而,桥涵的损坏主要是冻胀造成的,建筑物主要是通过地基作用在地基上的融沉和冻胀造成的。冻土区工程建设中,工程与冻土的相互作用是不可避免的。寒冷地区的地质条件复杂多样。土壤热参数的合理评价是工程设计中的一个重要问题。冻土区冻胀破坏和融沉破坏都涉及冻土强度变形和温度场的分析计算。强度变形仪是地基和路基稳定性分析的基础,土壤热参数是热计算的基础。因此,研究高温冻土的热学和力学特性就显得尤为重要。

1.2国内外研究历史与现状

1.2。1概率统计在岩土工程中的应用
概率统计理论首次应用于二战后,用于解决设备故障问题。在20世纪50年代,苏联和美国的研究人员率先进行可靠性研究。概率统计理论开始应用于土木工程结构。经过长时间的发展,概率极限状态设计方法已于20世纪80年代应用于各种结构规范和标准中,概率统计和数理统计方法在结构工程中的应用日益广泛。国际标准化组织委员会于1986年批准了国际标准“结构可靠性的一般原则”(iS02394)。这些规则以概率论和数理统计为指导,制定了结构可靠性设计的一般原则。20世纪90年代,港口工程、结构工程、铁路工程、水利工程和公路工程五大行业的“统一设计标准”相继完成。这些标准的颁布、制定和实施标志着中国可靠性设计方法的新阶段。2009年发布的《工程结构可靠性设计统一标准》是我国结构可靠性研究成果的高度综合和体现。该标准借鉴了国际标准化组织发布的国际标准“结构可靠性的一般原则”(IS02394)和欧洲标准化委员会CEN批准的欧洲标准“结构设计基础”(EN1990: 2002)。同时具有实用性和现实性,结合国内实际,总结国内工程实践经验,涵盖工程结构设计基础的基本内容,是当前工程结构设计的基本标准。

第二章高温冻土热参数的测定及分布规律研究

2.1简介
寒冷地区工程中最常见的两种土地病害是冻胀和融沉。人类活动改变了土壤表面的热交换条件,导致路基中永久冻土融化,导致道路倾倒、泥浆崩落、路肩塌陷和路面下沉。同时,由于冻结过程中水分体积的膨胀,路基不均匀冻胀导致道路变形、裂缝和路面不平整。这两种病害都与冻土温度场的分析计算有关。土壤热参数是岩土工程计算的基础。它们不仅可用于计算天然土壤的冻融深度和温度场,还可用于冻土地区建筑工程的热工计算,获得具有一定可靠性的热工参数,对岩土工程的设计计算具有重要意义。同时,它在冻土热性质的研究中也占有非常重要的地位,[15]。土壤的变异性导致冻土热性质具有很强的随机性和分散性。只有通过合理的试验方法和科学的分析方法,才能给出具有一定可靠性的热工参数,满足工程设施稳定性评价和设计计算对热工参数的高要求。冻土的热学参数主要包括热导率、体积热容和热导率。冻土热参数的测试方法与其他材料相同,但其特殊性在于必须保持冻土样品的低温。本章介绍几种常用的分布规律和参数估计。通过对大量热参数重复测试数据的统计分析(用QL-30热分析仪测量高温冻土的导热系数和体积热容,并通过公式计算导热系数),确定了高温冻土热参数的分布规律和变化系数。

第三章高温冻土的三轴蠕变特性........24
3.1导言........24
3.2高温冻土三轴蠕变试验........24
3.2.1测试设备........24
3.2.2样品制备........25
3.2.3测试步骤........26
3.2.4数据处理........26
3.3蠕变曲线........27
3.4高温冻土蠕变模型........31
3.4.1现有蠕变模型........31
3.4.2现象学蠕变模型........33
3.5摘要........36
第4章蠕变方程参数和长期强度分布........37
4.1导言........37
4.2数据处理方法........37
4.3蠕变方程的参数分布规律........38[/比尔/] 4.4长期强度统计分析........43[/比尔/] 4.5概述........45

结论

本文用QL-30热分析仪测量了青藏高原50个冻结粉土样品在-1.5℃环境下的导热系数和体积热容,并计算了它们的导热系数。基于正态分布、对数正态分布和K-S检验两种经典分布模式,分析了上述热参数的分布规律,确定了它们的分布参数和变异系数。然后对青藏高原冻结粉土进行了三轴蠕变试验,温度为-1.5℃,围压分别为0.5兆帕、1.0兆帕和2兆帕。参照蠕变方程的幂函数公式,考虑蠕变曲线形状与应力和时间的关系,给出了复杂应力作用下高温冻土的唯象蠕变方程。其次,考虑到高温冻土三轴蠕变试验耗时长,需要大量样本,提出了一种扩展蠕变参数样本量的组合方法。运用概率论和数理统计知识对蠕变方程参数进行统计分析,确定高温冻土蠕变方程参数的平均值、变异系数和概率分布。然后,根据长期强度方程,确定高温冻土(100年)的长期强度。采用三种经典分布模式(正态分布、对数正态分布、威布尔分布)和K-S检验方法确定分布规律,获得不同可靠性下的统计长期强度。
1。即使在相同的条件下,高温冻土的热参数也具有很强的离散性。发现高温冻土的热参数服从一定的统计规律,正态分布对热参数的分布规律有很好的拟合效果。
2。在相同围压下,加载应力不同,蠕变曲线趋势不同。曲线趋势与强度极限值(ORA3) U有关,当加载应力大于极限值时,高温冻土发生非衰减蠕变。当它小于极限值时,只发生衰减蠕变。蠕变的持续时间取决于载荷的大小。当载荷较大时,蠕变曲线的第二阶段明显缩短。
3。本文给出的高温冻土唯象蠕变模型参数少,便于实际应用。无论是试验曲线拟合不同的系数,还是整个蠕变曲线簇拟合相同的系数集,拟合程度都很高。
4。高温冻土的力学性质(蠕变特性和长期强度)也具有很强的离散性和随机性。对数正态分布能够更好地描述高温冻土复杂应力下蠕变方程的参数分布规律,其中蠕变方程的参数甲、乙具有较大的离散性,而参数丙具有较小的变化离散性。威布尔分布很好地拟合了高温冻土的长期强度分布。基于威布尔分布,可以得到可靠度分别为0.90、0.95和0.99的高温冻土统计长期强度,为寒冷地区的工程设计提供参考。

参考
[1]鲍程刚。《岩土工程概率分析中的几个基本问题》,[。岩土工程杂志。1989年,11 (4): 94-98。[/比尔/] [2]李肖勇。岩土参数空与软粘土地基固结概率分析([D .)。浙江大学。2001.
[3]高至。岩土工程可靠性分析[。岩土工程杂志,1983,5(3):124-134。
[4]赖远明,张益铭,李双阳。寒冷地区工程的理论与应用[。北京:科学出版社,2009。
[5]徐一祖,张立新王嘉诚。冻土物理学[。北京:科学出版社,2010。
[6]王绍玲、赵秀峰、郭东新。青藏高原冻土对气候变化的响应[。冰川冻土,1996。18(补编):157-165。
[7]气专委。《2001年气候变化:科学http://sblunwen.com/tjzylw/基础》。剑桥:剑桥大学出版社。2001年:1-79。
[8]秦大河,丁易慧,王绍武,等.中国西部环境演变及其影响研究[]。地球科学前沿,2002,9 (2): 321-328。[/比尔/] [9]维亚洛夫。冻土流变学[。刘建坤等译。北京:中国铁路出版社,2005。
[10]吴柏青,朱元林,石斌。工程活动下冻土环境的研究[。冰川冻土,2001,23(2):200-207。