水泥改良土杯型冻土壁融化温度场三维数值模拟

为掌握水泥改良土杯型冻土壁的解冻规律,以南京地铁10号线过江隧道盾构出洞水平冻结加固工程为例,对水泥改良土杯型冻土壁融化温度场进行了三维数值模拟,并研究了导热系数、比热容、相变潜热等因素变化对融化温度场的影响规律。结果表明:冻结水泥土解冻速度受初始温度影响较小,受冻土位置影响较大;解冻过程中,冻土壁外侧1 m处的非冻结土温度先降后升,冻土壁外侧3~7 m处土体温度始终呈下降趋势;随着导热系数减小、相变潜热增大、比热容增大,解冻时间延长;比热容对冻结水泥土解冻过程的影响主要体现在升温阶段,相变潜热主要影响冻土相变阶段,导热系数既影响升温阶段又影响相变阶段。      

高温-高含冰量冻土压缩变形特性研究

高温-高含冰量冻土属于塑性冻土, 荷载作用下具有较强的压缩性.为了研究高温-高含冰量冻土的压缩变形特性, 采用恒温-变载的试验方法得到了不同温度(-0.3、 -0.5、 -0.7、 -1.0、 -1.5℃), 不同含水量(40%、 80%、 120%)条件下冻土试样的体积压缩系数.结果表明: 1)高温-高含冰量冻土具有极大的压缩性, 青藏黏土40%含水量试样在-0.3℃时的体积压缩系数可达0.328 MPa^-1, 属于高压缩性土; 2)高温-高含冰量冻土在压缩过程中存在渗滤变形, 且主要发生于加载的初始阶段; 3)温度与含冰量是影响高温-高含冰量冻土压缩性的主要因素, 它们决定了冻土中体积未冻水的含量, 从而控制了冻土的压缩性; 4)在试验条件下, 高温-高含冰量冻土的压缩性随着温度的升高而增大, 随着含水量的增大而减小.高温时含水量对压缩性的影响比较显著, 低温时影响较小.     

近相变区细砂土导热系数试验及预测模型研究北大核心CSCD

近相变区冻土导热系数是影响寒区岩土工程热稳定性的关键物性参数,针对该温度区间冻土导热系数难以精确测量的问题,提出了一种稳态热流计法试验获得导热系数、量子粒子群寻优算法近似回归定性温度的近相变区冻土导热系数测试方法,采用核磁共振技术对细砂土近相变区未冻水含量进行测试并探究了其与导热系数的关系,分析了负温区细砂土导热系数的分布特征和参数影响规律,建立了不同温度区间的导热系数预测模型。结果表明:负温区细砂土未冻水含量变化曲线与其导热系数呈现出极为相似的变化规律,温度-导热系数曲线可划分为-3.2℃为界的近相变区和稳定相变区;冻结细砂土导热系数的增幅区间主要发生在近相变区,增长幅度约占整个负温区导热系数总增幅的50%,且随温度降低,导热系数的增幅逐渐减小;预测模型平均相对误差为4.14%,±10%误差内占比为94.7%,稳定相变区确定系数R2为0.892,近相变区确定系数R2为0.883,证明了该模型具有较好的准确性。研究成果可为寒区工程温度场的计算与分析提供基础参数,亦可为寒区重大基础设施精细化设计和冻土风险精细化防控提供数据支持。     

高温-高含冰量冻土原位旁压蠕变试验

为了研究高温-高含冰量冻土的蠕变特性,在青藏高原多年冻土区开展了旁压蠕变试验。试验结果表明：旁压蠕变曲线可以借鉴Ladanyi的工程蠕变理论来表示;每个试验中瞬时弹性应变在各级压力下的总应变中所占比例的平均值为3%～7%,冻土温度轻微的改变都会引起剪切模量的大幅变化;冻土的初始蠕变应变可以采用幂函数形式来计算,其强化系数k=1.87,应变系数与负温绝对值之间呈线性正相关关系。稳定蠕变阶段的应变速率可以用Glen蠕变模型来表示,其中参数n随体积含冰量的增加而线性增加;若体积含冰量外推至100%（纯冰）时,n=3.85,这与前人通过室内试验得出的结果有些差异。温度较低时,蠕变速率较小;当温度趋近于0 ℃时,蠕变速率迅速增大。     

新型管幕冻结法温度场影响参数分析

新型管幕冻结法中冻结管周围温度场的发展状况是这一工法施工的技术重点,为研究这一工法中温度场的发展变化规律,在模型中选取2条路径,并在路径上布设分析点,通过分析土体导热系数、容积热容量、相变潜热、原始地温这4个因素对温度场发展规律的影响,形成如下结论:与港珠澳拱北隧道管幕冻结法相比,新型管幕冻结法支护形式更加灵活多样,受地形制约更小;土体导热系数对温度场有显著的影响,导热系数越大,温度下降越快,且幅度越大;容积热容量对温度场的影响效果较大,容积热容量越小,温度下降越快,且幅度越大;土体相变潜热对温度场变化几乎没有影响;原始地温越低,达到相同温度所需要的冻结时间越短。所得结果可供今后类似工程参考。      

青藏高原北麓河地区原状多年冻土导热系数的试验研究

取自青藏高原北麓河试验段的原状冻土, 利用 QL-30 热物性分析仪测定原状冻土的导热系数. 结果表明: 原状冻土和重塑土的导热系数变化规律存在着较大差别. 对于浅部冻土层, 气体体积含量和含冰量是影响原状冻土导热系数的控制因素; 而对于地下冰层, 冰是控制其导热系数的最重要因素, 气体体积含量的大小也对其导热系数有影响. 对于深部强 全风化泥岩, 气体体积含量控制着它的导热系数的大小.     

东北多年冻土地区地基承载力对气候变化敏感性分析

近年来,中国东北多年冻土地区正处于显著的增温过程中。由此导致多年冻土逐渐退化,并严重影响到构筑物的稳定性。以0.05 ℃的年平均气温上升率为背景,采用带有相变的传热学有限元方法,对中国东北多年冻土地区不同初始气温条件和不同含冰量类型冻土的地基温度状况以及季节活动层厚度变化进行了模拟;利用温度场有限元数值试验结果和已有承载力试验数据分析了不同类型冻土地基的力学性质对气温变化敏感性,评估了气温变化对各类冻土地基承载力的影响。气候变化对多年冻土地区构筑物稳定性影响程度取决于两个环节：其一,冻土地基温度状况对气候变化的响应;其二,冻土地基力学性质对地基温度变化的敏感性。研究结果表明,冻土地基含冰量和温度状态对其承载力随气温变化的敏感性具有显著的影响。含土冰层地基承载力对气温变化最为敏感,气温变化对高温冻土地区浅层地基承载力以及桩-土冻结强度影响较大;而深基础桩端冻土地基承载力受气候变化影响相对较小。     

高富水卵砾石地层热物理参数试验研究

冻结法施工设计过程中地层的热物理参数是必须明确的指标, 为了探明高富水卵砾石地层热物理参数以及各参数与影响因素之间的相互作用关系, 本文以现场取回卵砾石样为研究对象, 通过自制试验装置测量试样起始冻结温度、比热容和导热系数, 探究含盐量对试样起始冻结温度的影响, 试样比热容、导热系数与冻结温度之间的相互作用关系, 试验结果表明:随着含盐量升高, 试样中水分的蒸气压不断下降, 造成试样需要更低的温度, 释放更多的能量才会发生冻结, 试样随着含盐量的升高起始冻结温度下降, 1、2、3号试样平均起始冻结温度从-0.46 ℃下降到-1.15 ℃; 随着冻结温度的降低试样中水分冻结, 卵砾石试样中含冰量增多, 未冻水含量减少, 由于冰的比热容是水的一半, 致使比热容不断下降, 卵砾石试样比热容从1.60 J·(g·℃)-1下降到1.06 J·(g·℃)-1; 随着冻结温度的降低试样含冰量增多, 含水量减少, 由于冰的导热系数远远大于水的导热系数, 致使卵砾石试样导热系数不断上升, 由1.71 W·(m·K)-1增加到2.13 W·(m·K)-1; 由于试样中含冰量、未冻水含量随温度不断变化, 固态和液态水的相变, 导致试样热物理性质随温度不断发生改变。     

高温-高含冰量冻结黏土强度试验研究

为研究高温-高含冰量冻土的强度特性,分别开展了不同温度、不同含水率的冻结黏土单轴无侧限抗压强度试验。分析了高温-高含冰量冻结黏土在单轴压缩试验过程中的破坏类型、应力-应变关系;单轴抗压强度与温度、含水率之间的关系以及饱和冻结黏土单轴抗压强度对温度的敏感性-含水率关系。研究结果表明：当温度低于-0.9 ℃时,高温-高含冰量冻结黏土存在最不利含水率,在相同的温度条件下,该含水率状态下冻土抗压强度最小;当温度高于-0.6 ℃时,高含冰量冻土随含水率的增加,单轴抗压强度增大。     

高温冻土的蠕变特性试验及蠕变模型研究

为了研究高温冻土蠕变变形特征以及各影响因素对蠕变的作用, 分别在含水量15%、 25%及35%, 荷载100 kPa、 200 kPa及300 kPa, 温度-1.5 ℃、 -0.7 ℃及-0.3 ℃的条件下开展了室内单轴蠕变试验, 分析在无侧限条件下高温冻土在不同温度、 荷载及含冰量条件下的蠕变变形特性。结果表明： 在当前试验条件下, 冻土蠕变变形非常可观, 且蠕变曲线都没有出现渐进流阶段; 温度是影响冻土蠕变的最重要的外在因素, 而含冰量是影响冻土蠕变的关键内在因素; 在高含冰量条件下温度及荷载的改变对蠕变速率的影响非常显著, 甚至引起量级上的差别。在现有试验条件下, 高温冻土蠕变过程可利用Burgers黏弹性模型来较好地描述。     

用于断层测量的温度补偿光纤外腔型法布里-珀罗位移传感器

针对光纤EFPI传感器通常尺寸很小,而断层尺寸相对较大,导致光纤EFPI传感器在待测断层处安装不便的情况,提出了一种可用于断层测量的光纤外腔型法布里-珀罗位移传感器.两根陶瓷插芯从陶瓷套管的两端插入构成EFPI结构,通过使用金属内管和金属外管,增大了光纤EFPI位移传感器的尺寸;并且金属外管的两端采用O型圈密封,因此该EFPI位移传感器能够防水防尘.为了消除温度对EFPI位移传感器的影响,两根金属内管采用了不同热膨胀系数的材料在结构上进行温度补偿.在温度连续变化的环境下,对腔长为718.39 m的EFPI位移传感器进行了测量.测量结果显示,经过温度补偿设计后,位移传感器的温度系数由0.14 μm/℃下降到了-0.04 μm/℃,并呈现过补偿.     

大直径杯型冻土壁温度场数值分析

结合南京地铁10号线过江隧道盾构始发工程,运用有限元软件建立三维数值模型,对大直径杯型冻土壁温度场的发展与分布规律进行研究,分析不同因素对该温度场的影响规律,比较研究不同土层下该温度场的降温规律。数值计算表明:在设计冻结方案下,杯型冻土帷幕厚度满足加固范围要求,开始交圈时间由早到迟依次为外圈管中圈管内圈管,形成闭合大直径杯型冻结帷幕的时间为12 d;冻结壁交圈时间随导热系数的增大而线性减小,随容积热容量和原始地温的增大而线性增大,原始地温每升高5℃,冻结壁交圈时间增加约1 d;相变潜热变化对冻结初期和后期土体降温过程几乎没有影响;不同土层降温速度由快到慢分别为砂土水泥土黏土水泥土,砂土黏土;砂土水泥土与砂土、黏土水泥土与黏土几乎同时达到相变阶段;无论水泥改良与否,砂土总比黏土的开始交圈时间早4 d。所得结果为今后类似工程设计提供了理论依据。     

基于未冻水含量的冻土热参数计算分析

为提升冻土温度场预测精度和减少热参数测试工作量,根据饱和冻土的土、水、冰三相组成,对基于导热系数的冻土未冻水含量反演公式进行了推导。根依据干土和饱和土体的二相构成,推导了适用于土体矿物导热系数预估的计算公式。实测了粉质黏土在不同负温下的比热和导热系数值,分别结合比热确定未冻水含量的递推方法和基于导热系数建立的冻土未冻水含量反演公式,计算得到了粉质黏土在不同负温下的未冻水含量。基于实测和反演获取的未冻水含量,确定了随不同负温变化的冻土导热系数、比热和潜热。将基于冻土未冻水含量确定的热参数代入数值计算软件ABAQUS,获取不同计算热参数下的冻土瞬态温度场计算值。分别将各温度场计算值与模型试验实测值进行了比较,结果表明,从未冻水含量角度出发对冻土温度场计算用热参数的测试工作量进行缩减是可行的;基于Johansen法反演获取未冻水含量,进而确定的热参数能够较好地预测冻土温度场。     

基于主动加热型分布式温度感测光缆的土体导热系数测量方法

主动加热型分布式温度感测技术（AH-DTS）可通过植入土体中的光缆实现不同层位土体导热系数的分布式连续测量,但AH-DTS光缆导热系数测量方法的准确性和敏感性有待进一步研究。通过室内试验,对比了碳纤维加热感测光缆（CFHC）和铜网加热感测光缆（CMHC）的热响应过程,通过数值模拟验证了光缆结构对导热系数测量结果的影响。研究结果表明：（1）CFHC和CMHC的热响应过程可通过微分法分为光缆内部传热、纤-土过渡以及土体稳定传热3个阶段,光缆结构差异导致传热速率不同,使得CFHC导热系数测量初始时刻比CMHC提前100 s;(2)光缆尺寸与比热容差异下CFHC的升温值更高,相同测温精度CFHC的导热系数测量结果较CMHC更加稳定准确;（3）增大加热功率或延长加热时间均会提高CFHC和CMHC测量土体导热系数的准确性。研究成果为该技术的进一步完善和推广提供了重要依据。     

水下清淤人工冻结板温度场数值分析

为研究水下清淤人工冻结板温度场的发展规律以及冻土帷幕形成的过程,通过有限元分析软件,采用单因素分析法进行数值分析,研究了水下人工冻结板在几何及物理环境变化条件下的冻结规律。结果表明:冻结板不同几何尺寸与清淤深度的相关性较弱,调整冻结板的几何尺寸仅能改变清淤面积;对清淤环境来说,土层的导热系数越大,比热容越小,原始地温越低,其降温速度越快,清淤越高效;砂土的冻结效果要明显优于黏土;相变潜热对土体降温的影响十分有限;盐水降温计划中最低温度对清淤深度有较大影响,在-50℃以前,冻土帷幕发展较快,每降低10℃冻土帷幕的发展厚度增加约0.4 m,而在-50℃以后冻土帷幕的发展较慢,每降低10℃冻土帷幕厚度的发展仅约为0.05 m。因此,在工程实际中,冻结初期通过调节盐水降温计划可以较好的实现冻结效果;建议盐水降温计划最低温度设置为-50℃,此时可以得到的有效清淤深度约1.5 m。研究结果可为今后的相关实际工程提供参考依据。      

冻土导热系数热流计法模拟试验及成果分析

导热系数表征物体内部较热部分向较冷部分传递热量的能力,冻土导热系数是冻土区天然温度场变化研究和土木建筑热工计算中的重要指标.介绍了冻土导热系数热流计法测试的仪器设备和试验方法,对取自大兴安岭多年冻土带的5种典型扰动土料,分别进行冻融两种状态下热流计法模拟试验.通过回归分析,得到估计这5种冻土导热系数的经验公式,同时分析...     

现浇混凝土-冻土接触面冻结强度直剪试验研究

关于混凝土-冻土接触面的力学强度研究多集中于预制成型混凝土样（块）与冻土接触面的力学试验研究,而与工程实际更为接近的冻土中现浇混凝土、冻结稳定后混凝土-冻土接触面的力学强度研究则少有涉及。基于冻土中现浇混凝土的试验方式,开展了不同水灰比、含冰量及冻土温度条件下,混凝土-冻土复杂接触面冻结强度的直剪试验研究。结果表明：试验条件下,由于混凝土中粗、细骨料导热系数及水化热侵蚀强度不同,冻土中现浇混凝土会导致混凝土-冻土接触面发生起伏变化。受该因素影响,粗糙接触面较光滑接触面的冻结强度增大71.9%。粗糙接触面引起的应力集中,使得剪应力在剪切破坏过程中出现间歇性增大、跳跃。在冻结强度构成中,随接触面粗糙程度的增大, φ值对冻结强度增长的贡献要大于c值。水灰比由0.4增至0.6,混凝土导热系数降低,生成接触面趋于光滑,冻结强度减小;土体含水量由15%增大至30%时,冻结强度增大,含水量继续增大至40%时,冻结强度减小;在不同温度条件下,整体呈现冻土温度降低冻结强度相应增大的趋势。基于上述结果,多年冻土区灌注桩设计时,建议混凝土采用0.4~0.5水灰比。     

非饱和冻土水汽迁移与相变过程的光滑粒子法模拟

为了研究多年冻土表层的水热分布情况,在非饱和冻土的能量守恒方程和水分迁移的质量控制方程的基础上考虑冰水相变和水汽相变过程,并考虑水汽运移传热及温度势对水汽迁移的影响,建立了非饱和冻土的水-热-汽耦合模型。采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法可方便地计算它们的演化过程。为此,在计算中先求解能量守恒方程的含冰量及气态水含量,再对未冻水含量和温度场进行求解,从而实现了温度场与水汽场的耦合。在此基础上,模拟计算了第1类热边界条件下半无限空间介质内非稳态温度场、体积含水率及水汽通量的分布情况,并将计算结果与未考虑耦合的解析解进行比较,结果显示水汽耦合的作用不容忽略。最后,针对处于季节性周期温度边界下路基的水热场的分布情况进行计算。研究表明,相比于水-热耦合模型,所建立的水-热-汽耦合模型得到的计算结果更为接近实际监测结果,可很好地揭示非饱和冻土中的水热汽迁移特征及其相变过程。     

江苏高邮地埋管热响应试验及浅层地热能资源评价

为研究江苏高邮浅层地热能资源储量,选取2个典型区块开展现场热响应试验,以线热源理论为建模基础,结合地埋管进出水温度试验数据,建立了典型区块内地埋管热传导模型,采用体积法对研究区浅层地热能资源作出定量评价。数据分析表明：在G001孔处,初始地层温度为17.69 ℃,导热系数为1.389 W/(m·K),钻孔内传热热阻为0.111 K/W,热扩散系数为0.921×10-6 m2/s,热容量为1.508×106J/K,单位延米换热量为104.98 W/m;在G002孔处,初始地层温度为18.58 ℃,导热系数为2.340 W/(m·K),钻孔内传热热阻为0.110 K/W,热扩散系数为0.229×10-6m2/s,热容量为10.200×106J/K,单位延米换热量为163.34 W/m。综上试验参数计算结果可知,区内每年可开发浅层地热能储量至少为6.47×1013kJ。试验设计合理,所得参数真实可靠,可为高邮浅层地埋管地源热泵工程后续设计工作提供基础数据与技术支撑。     

外壁恒温条件下冻结管壁热流密度变化规律数值计算研究

应用相似理论将冻结温度场方程和参数无量纲化,然后建立无量纲的数值计算模型,研究了在外表面恒温情况下冻结管壁的无量纲热流密度与各无量纲影响参数间的关系.结果表明:无量纲热流密度随未冻土与冻土的导热系数之比线性增加,与冻土与未冻土的容积比热之比成线性关系,随无量纲结冰潜热线性增长,与无量纲盐水温度成线性关系;可表示为无量纲时间的负三分之一次方的线性函数.最后对167706次数值计算结果进行了回归分析,得到具有较高精度的回归计算公式.