寒区有隔热层的圆形隧道温度场解析解

在多年冻土地区修建隧道,会影响到多年冻土的热稳定性,目前一般采用在隧道衬砌中设置隔热层的方法来防止冻土嗣岩融化.根据隧道现场实测的气温资料,考虑正弦曲线规律变化的对流换热边界条件,建立了一次衬砌、隔热层、二次衬砌及围岩4层结构的圆形隧道热传导方程.运用微分方程求解方法和贝塞尔特征函数的正交和展开定理,对4个热传导方程进行了求解,得到隧道一次衬砌、隔热层、二次衬砌及同岩4层结构温度场的解析解,将计算结果与现场实测结果进行比较,吻合良好.计算结果还表明,在衬砌中铺设厚5 cm、导热系数为0.03 W·m-1·℃-1的隔热层可以保证风火山隧道围岩不发生季节性融化.该解析解可用于验证其它数值方法的计算结果,也便于工程设计人员和施工人员对同类寒区隧道进行温度场的计算,因而具有一定的工程应用价值.     

寒区圆形截面隧道温度场的解析解

根据冻土地区的实际情况地圆形隧道正冻区和未冻区的热传导方程进行简化,应用无量纲量和摄动技术对简化方程进行求解,给出了圆形隧道冻结过程的近似解析解。通过和有限元数值解结果比较,发现该近似解具有较高的精度,能满足工程实际的精度要求,该解既可用于工程估算 用来检验数值计算的计算程序及结果。     

寒区隧道围岩变形机理分析初探

隧道围岩冻胀变形机理是寒区隧道工程常见的问题之一。首先评述了国内外现有关于寒区隧道冻胀机理的几种解释,然后对采自西部某寒区岩样进行饱水冻结,通过CT扫描技术观察了岩体内部细观结构变化、水分迁移,发现了围岩冻结后发生收缩的现象,从细观角度研究了岩体的冻胀和收缩机理,完善和补充了围岩冻胀机理假说。     

寒区山岭公路隧道设计

以某寒区公路隧道为背景,介绍了隧道工程建设条件、总体设计、结构设计及计算、不良地质处理、防水保温等内容,从而为类似寒区隧道设计施工提供一定的依据和指导。     

关于森林地带土冻结深度计算方法的研究

由于森林地带植被特征、地面特性等因素差异的影响，使土冻结深度计算成为较复杂的问题，通过在小兴安岭的凉水自然保护区所建立的３２个观测点，历经两年的实验研究，摸索出采用换算导热系数及等值土冻结深度的计算方法，与实测值验证表明，是解决设计森林地带土木结构物基础埋置深度的一种途径。     

寒区隧道防水材料长期性能研究

为更全面了解寒区隧道防水材料长期性能, 以赛里木湖隧道为依托, 选取EVA防水板分别在0次、 25次、 50次冻融循环条件下开展了室内拉伸、 低温及顶破试验, 研究了其作为寒区隧道防水材料的工作性能. 结果表明: 冻融循环对EVA防水材料的纵横向拉伸强度、 纵横断裂延伸率、 顶破强力和顶破延伸率有着较明显的影响, 即随着冻融循环次数的增加, 这些指标均降低, 且有随着循环次数的增加降低幅度有增大的趋势, 这说明冻融循环对材料性能的负面影响很大; 冻融循环对EVA的低温抗裂性能基本没有影响.     

寒区破碎岩体隧道冻胀力室内对比试验研究

根据相似理论,以曲墙式、直墙式和圆形衬砌为例,通过模型试验方法研究了寒区破碎岩体隧道在不同约束条件和冻结深度下衬砌所受法向冻胀力(以下简称冻胀力)的量值和分布规律.结果表明:冻结深度越大,冻胀力越大;顶端约束越强,冻胀力越大.对于曲墙式和直墙式衬砌,顶端约束对拱部和仰供处冻胀力影响较大,对边墙处冻胀力影响较小;对于圆形衬砌,顶端约束对整个衬砌所受冻胀力影响程度相差不大;直墙式衬砌受冻胀力的量值最大,圆形衬砌受冻胀力量值最小.对于3种衬砌结构,最大冻胀力均发生在仰供脚处.试验数据与现场测试数据基本吻合,说明试验有较好的准确性.     

复合地基沉降计算的半解析元法

将复合地基视为横观各向同性体,利用半解析数值计算原理,又将复合地基位移竖向离散为多项式,在水平两个方向上选取解析函数模拟无限域地基进行计算,从而克服了有限元计算中人为设定计算边界的弊端,提高了计算精度,并将三维沉降问题转化为一维问题进行计算,收敛速度快,显著地减少了计算工作量,将计算结果与理论解进行对比,满足精度要求。通过改变复合地基置换率、加固深度和桩土模量比,采用半解析元法研究了复合地基的加固效果,计算结果表明,桩土模量比较大时,可忽略加固区压缩变形量;增大置换率对减小沉降作用很小,而增加加固深度能明显减小复合地基沉降,在以控制沉降量为主要目的复合地基优化设计中应首先考虑增加加固深度。     

浅埋隧道围岩应力场的计算复变函数求解法

对于受地表边界和地面荷载影响的浅埋隧道的围岩应力场,由于在数学处理上存在一定的困难,很难用解析解来进行分析,而通常采用边界元或有限元的数值方法来解答。为了求解浅埋隧道的应力场,采用边界配点来确定边界条件,同时用保角映射将一个含圆孔的半无限空间区域映射为圆环域,然后把这个区域内的解析函数展开成Laurent级数的形式,利用Muskhelishvili的复变函数理论和最小二乘法来确定解析函数的各项系数,从而求得浅埋隧道围岩压力的半数值、半解析解,最后通过算例给出了围岩应力的分布情况。计算结果表明,该方法计算精度高、计算量小,具有应用价值。     

岩土工程半解析半数值方法若干进展

总结了笔者等近年来有关岩土工程半数值半解析方法方面的研究进展,重点介绍了有限层方法、析解法、等积变换法、广义剪切位移法、广义荷载传递函数法等5个方面,充分显示了半数值半解析方法良好的应用前景。     

冻土隧道冻胀力室内模型试验研究

详细地介绍了曲墙式、直墙式和圆形断面隧道衬砌在约束条件、隔热保温层及含水状况等因素变化情况下的相似材料冻胀力室内模型试验,通过分析试验得出不同衬砌断面在各种因素影响下衬砌和围岩间冻胀压力的量值和分布特征,以及由冻胀压力引起的结构内力分布特征。研究表明,直墙式断面受冰胀力最大,曲墙式次之,圆形面最小;曲墙式、直墙式断面冻胀力均呈分布荷载形态,前者拱脚及仰拱脚处冻胀力最大,后者边墙、底板处冻胀力最大。     

高强防寒保温泡沫混凝土研制与工程应用

复杂地层寒区隧道填充材料需兼具防寒保温、抗震和优化支护等性能,为解决常规泡沫混凝土在复杂地层寒区隧道应用中存在的不足,通过正交试验得到了自制泡沫混凝土的最佳配合比,研制了一种高强防寒保温泡沫混凝土.通过室内试验,研究了所制泡沫混凝土的保温性能和冻融劣化特征,并采用数值分析方法探讨了西藏嘎隆拉隧道初衬和二衬之间加设泡沫混凝土垫层后的温度场变化规律.结果表明：该泡沫混凝土具有较好的保温性能和抗冻融损伤性能,同时强度、延性较普通泡沫混凝土都有明显改善.数值计算结果显示,当在初衬和二衬之间增设泡沫混凝土垫层时,其相应位置的温度变幅由不设置时的4.5℃变为2℃,最低温度由1℃提高到了3℃,表明加设所研制泡沫混凝土垫层对于阻止围岩受到隧道内冷空气的侵害具有非常显著的效果.     

1990-2014年西藏季节冻土最大冻结深度的时空变化

最大冻结深度是季节冻土变化的主要指标,也是季节冻土地区工程设计、建设、运营的重要参数。通过斯蒂芬（Stefan）方法计算了1990-2014年西藏地区季节冻土的最大冻结深度,分析了其时空变化特征,结果表明：近25 a西藏地区季节冻土最大冻结深度在空间分布具有垂直分带性、纬度地带性和区域性等规律,基本上呈自西北向东南方向递减的空间分布特征;时间上,在全球气候变暖的背景下,最大冻结深度基本呈逐年减薄的特征。西藏地区季节冻土最大冻结深度与年平均气温和年降水量呈现负相关,随着年平均气温和年降水量的上升,最大冻结深度呈减小的趋势,且最大冻结深度对年平均气温的响应比对年降水量的响应显著。     

辽宁朝阳地区季节冻土最大冻土深度和持续冻结时间与气候变化的响应研究

利用辽宁省朝阳市气象站1960-2015年的最大季节冻土深度、最长连续冻结时间的起始日和终止日数据,采用小波分析方法对朝阳地区季节性冻土的年际变化特征进行分析,并探讨影响季节性冻土发育的影响因素。结果表明：朝阳地区最大冻土冻结深度存在4种尺度上的周期震荡,其周期分别为23~32 a、16~22 a、10~15 a和4~9 a。冻土年际变化的转折期发生在20世纪90年代初,表明朝阳市冬季气候转暖的时间段也发生在90年代初。通过对气温与季节性冻土冻结深度以及冻结时间的相关性分析,得出气候变暖对朝阳市季节冻土影响显著,冬季平均气温和冬季最低气温是影响朝阳市季节冻土发育的重要因素,其中冬季气温日较差对其影响尤为明显。冬季最低气温与冻土主冻期时间关系最为密切,而影响主冻期结束时间的热力因子为冬季平均最高气温。     

拱北隧道管幕冻结法温度场数值计算

以港珠澳大桥珠海连接段拱北隧道为工程实例,研究管幕冻结法的温度场发展规律,基于二维多孔介质传热理论,采用有限元软件COMSOL对积极冻结期的实际工况进行数值计算,模拟结果通过现场实测验证,研究了温度场在异形冻结管开启前后的发展与分布规律。结果表明：冻结30 d时,实顶管完全被冻土包裹,并且顶管之间开始形成连续的冻土帷幕;冻结50 d时,空顶管被冻土完全包裹;冻结90 d时,实顶管和空顶管处冻土帷幕厚度达到2.0 m,满足设计要求。在异形冻结管开启前、开启后10 d内和开启后10~20 d内,两顶管间中点处温度测点的平均温度变化速率分别为-0.86℃/d,-0.88℃/d和-0.25℃/d,之后各测点温度趋于稳定,进而形成温度较为均匀的冻土帷幕。研究成果可为类似冻结工程提供技术参考。     

循环荷载下冻土变形特性研究现状及冻土开挖问题

讨论了循环荷载作用下冻土的变形特性,总结了前人对冻土变形特性的研究成果。重点阐述了影响冻土变形特性的主要因素,包括土质、含水量、含冰量、温度、围压、动应力振幅和频率对冻土变形特性的影响及其研究现状和主要结论。简要论述了冻土开挖方面的研究情况,并强调了冻土机械开挖方法的重要性。最后针对高效开挖冻土的实际需求,提出了进行冻土变形特性进一步研究的几点建议。     

基于非达西渗流的软土一维非线性固结半解析解

在土中渗流遵循非达西渗流定律的前提下,考虑软土在固结过程中的非线性固结特性,根据饱和土体一维固结的连续条件,推导出基于非达西渗流的软土一维非线性固结控制方程。利用半解析方法对其进行求解,并与差分计算结果进行对比,验证半解析方法的可靠性。最后,着重分析非达西渗流与达西定律之间非线性固结性状的差别,以及不同自重应力分布方式对固结速率的影响。结果表明,考虑非达西渗流下的非线性固结速率比达西定律下要慢,且指数和临界水力坡降越大,非线性固结速率越慢。而且,作用的外荷载越小、地基土层越厚,非达西渗流下非线性固结速率的减慢愈明显。自重应力均匀分布下的非线性固结速率要比自重应力线性分布下慢,但随着荷载的增大、土层的变薄,两者之间的差别会越来越小。