冻融过程中土体水热力耦合作用理论和模型研究进展

随着冻土地区基础设施建设加快,冻害已成为寒区工程建设中迫切需要解决的问题.造成冻害现象的主要原因是土体的冻胀和融沉,而冻融过程受控于土体温度场、水分场、应力场及其变化规律.深入开展水热力耦合作用机理的研究对解决实际工程冻害问题具有重要的指导意义.对国内外在水热力耦合作用机理、耦合作用方程方面的研究进行了综评,指出了各种研究结果之间差异、不同冻胀模式建立的依据、研究方法以及适用条件,分析了目前冻融过程中土体水热力耦合作用理论和模型研究中存在的问题,提出了今后研究发展的方向.     

环境气候条件下土壤冻融过程中湿热耦合作用模型研究

基于Harlan模型和Darcy定律,综合考虑环境气候因素和水热特征参数对湿热迁移影响,建立了环境气候条件下季节性冻土区土壤冻融过程中湿热耦合作用模型.根据地表能量交换平衡原理推导出边界条件.依据实测数据回归分析出土壤湿热特征参数表达式.采用全隐式有限差分格式和TDMA迭代法对内蒙古锡林浩特地区冻结期间土壤湿热迁移规律进行了数值模拟.温度计算值和实测值比较一致,最大误差不超过2.5℃,说明该模型具有较高的准确性.利用该模型仅通过气象资料和湿热特征参数就可预测季冻区土壤冻胀和田间湿热分布状况并能够用来指导农田工程建设和农业生产.     

季节冻土区风积沙土路基冻结过程中水热迁移数值分析

基于Harlan模型和Darcy定律,并考虑温度梯度对水分迁移影响、温度和含水量对水热参数影响以及各种环境气候因素的影响,建立了完全依赖气象资料和水热参数的风积沙土路基冻结过程中水热耦合迁移数学模型,采用全隐式有限差分格式和TDMA迭代法对内蒙古锡林浩特地区沙漠公路207国道K135+000处冻结期间路基水热迁移规律进行了数值模拟.结果表明:该地区道路冻结深度随时间近似线性变化,冻结速度达到2~3 cm·d^-1,最大冻深为3 m左右,冻融时间约为180 d;水分迁移主要发生在冻结锋面附近,从未冻区向冻结区迁移,且随着冻结锋面前移,迁移量逐渐增大;整个冻融期间最大冻深底部层位含水量变化较大,路面下0~50 cm范围内温度变化比较剧烈.     

沙漠地区水泥砼路面温度梯度数学模型与仿真分析

为探讨沙漠地区水泥混凝土路面温度梯度分布,提供最大温度梯度设计参数,根据气象学和传热学原理建立了层状路面结构体温度场数学模型,采用解析理论和Newton-Naphson迭代法推导出完全依赖于气候条件下非线性边界条件路面温度场计算方法。用该方法模拟了位于内蒙古锡林浩特沙漠地区试验路温度,温度最大误差不超过2℃,计算结果和实测值基本符合。在此基础上,研究了水泥混凝土路面温度梯度分布规律及其影响因素,结果表明:路面温度梯度沿深度非线性分布,板内温度梯度变化明显。最大温度梯度随面层导热系数和面板厚度增大而减小,导热系数和面板厚度每增加1 kcal.m-1.h-1.℃-1和1 cm,最大温度梯度分别减小约0.2～0.3 ℃.cm-1和0.025～0.052 ℃.cm-1。沙漠地区最大温度梯度设计值推荐为1.01～1.09 ℃.cm-1。