高围压下深厚土层冻结过程的水热应力耦合研究

在现代煤炭开采中，随着深度的增加，浅层冻土的特性已不再适应深层土壤的特殊环境。高围压和孔隙水压力的显著增长对冻土的冻结过程产生了显著影响。为了深入理解这种复杂的物理现象，本文由马茂艳和程桦两位作者合作，研究了深厚土层在冻结过程中的水热力耦合问题。他们运用了传热学、渗流理论以及结构力学的相关原理，构建了一个三维数学模型，该模型结合了温度场、水分场和应力场的动态交互。 模型的核心内容包括对温度随时间的变化进行模拟，探讨在高围压下冻结过程中热量的传递如何影响土壤的温度分布。同时，研究了水分迁移的速度，特别是在冻结状态下，水分从液态到固态转变的过程如何受到围压和孔隙水压力的影响。这不仅关系到冻土的冻结速度，也影响到冻胀现象的发生程度。 冻胀是深层冻土的主要工程问题之一，由于高围压的存在，模型结果显示，尽管它能够有效抑制冻胀的发生，但冻结过程中应力的累积却可能对深厚冲积层的施工带来严重威胁。这意味着在深层冻土施工中，必须考虑这些复杂因素，以确保结构的稳定性和安全性。 此外，该研究还涉及到冻胀变形的预测，通过数值计算，研究人员能够量化不同条件下冻胀对土体结构的影响，从而为设计和施工提供科学依据。他们的工作有助于优化深层冻土开采的施工方法，减少潜在风险，并为冻土工程领域的实践提供了重要的理论支持。 这篇论文通过对深厚土层冻结过程的水热力耦合分析，揭示了高围压与冻胀行为之间的微妙平衡，强调了在深层冻土工程中进行精细化管理和技术创新的重要性。这一研究成果对于煤炭行业的可持续发展以及冻土区基础设施建设具有实际应用价值。