多年冻土区铁路路基导热系数监测与分析

为分析冻融过程、 道砟覆盖及降雨对多年冻土区铁路路基土体导热系数的影响, 对青藏高原多年冻土区铁路路基试验段和天然地表土体开展导热系数、 温度、 水分原位监测。结果表明： 融化期导热系数波动均明显大于冻结期, 天然场地导热系数在冻结期大于融化期, 而无道砟覆盖路基土体和道砟覆盖路基土体的导热系数在冻结期小于融化期, 与通常的认知和温度场模拟取值相反; 道砟层的保温和阻水效应导致道砟覆盖路基土体含水量和导热系数均小于无道砟覆盖路基土体, 冻结期路基土体导热系数有减小趋势, 道砟覆盖路基土体尤为显著; 降雨入渗增大土体导热系数, 低含水量的道砟覆盖路基土体导热系数对降雨的响应最强烈。寒区路基工程数值模拟时, 应考虑水热变化对导热系数的影响, 不宜采用固定相变区间的分段函数或阶跃函数预估导热系数。     

温度-湿度-荷载综合作用下路基冻融过程试验研究

为了研究季节冻土路基内部温度场、水分场及应力场综合效应的变化特性,基于自主研发的温度-湿度-荷载综合模型试验测试系统,进行室内路基模型的冻结与融化循环试验,分析了冻融循环过程路基内部土体水、热及力学性能的变化特性.试验表明:冻结过程中,初期温度变化大,温度梯度从顶端向底部逐渐递减;路基顶冻结后,0℃冻结锋面不断往下移动,0℃分界线两段内温度梯度差异大;路基含水率分为冻结区未冻水含量似稳定段、过渡区未冻水快速相变段、未冻结区含水率减小段.融化过程中,温度变化先大后小,未冻结水含量与温度大小相关,路基内部含水量呈现中间增大,两端减小的情形.水热综合作用下,应力场表现:冻融过程中,路基回弹模量随着冻结深度的增大呈线性增加,随融化深度的增加而减小;路基回弹模量随冻融循环次数增加而衰减,当达到6次时,衰减趋于稳定.结果表明,土体水热耦合作用是影响路基土体力学性能的关键因素.     

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.     

双圈管冻结壁温度场形成特性及影响因素

为研究双圈管冻结壁温度场变化规律，以淮南某矿副井为研究对象，根据其相关地质参数，利用FLAC3D软件数值模拟双圈管冻结壁温度场形成过程以及不同因素对冻结壁平均温度的影响。研究结果表明:双圈管内土体温度最低，两侧温度逐渐升高；冻结孔间距越小，交圈时间越早，内外圈管交圈之后形成封闭的未冻承压水仓，对冻结壁不利，冻结锋面向内侧扩展速度大于向外侧扩展速度；双圈管冻结壁平均温度与冻结时间呈对数关系下降，有效厚度在内外圈管交圈后增长十分明显，且与冻结时间呈对数关系上升；双圈管主、界面温度场曲线随冻结时间近似由马鞍形分布逐渐转变为梯形分布，界面温度场扩展速度大于主面温度场；土体初始温度、盐水温度及导热系数对冻结壁平均温度影响均较大，土体初始温度和盐水温度越低、导热系数越大，冻结壁平均温度越低。研究成果为相关冻结工程的设计和施工提供参考。      

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。      

砾石地层冻土热物理特性研究

地铁建设中时有穿越富含砾石的地层,需使用冻结法施工,而砾石地层的热物理性质是冻结法设计的重要依据。为研究人工冻结砾石土热物理特性,通过自制试验仪器,开展了砾石土冻结温度、导热系数和容积热容量测定方法及其特性研究,并与黏土、粉土等典型土层进行对比分析。结果表明:砾石土冻结温度曲线变化符合常规变化规律,且冻结温度为-0.21 ℃,高于黏土、粉土等;砾石土容积热容量与黏土、粉土等相近,随颗粒粒径增大,常温和冻结状态下土体容积热容量比值减小,其中砾石土的比值为1.19;砾石土导热系数较大,冻结状态下达3.89 W/(m·k),是常温状态下的1.65倍,符合颗粒粒径对导热系数的影响规律。砾石土导热系数可按各组成物质的导热系数及其相应的体积比推算。     

竖向直排冻结条件水平冻胀力试验研究

竖向直排冻结方式常用于软弱地层中斜井掘进和深基坑止水帷幕的冻结法施工中,目前国内外对该冻结方式下水平冻胀力的分布研究鲜见报导。以某斜井冻结工程为背景,推导出温度场、应力场和水分场等相似模拟准则,设计了竖向直排冻结模型试验并细化具体试验方案,利用大型三维模拟冻结试验系统,对竖向直排冻结条件下不同深度土体的水平冻胀力分布特性进行了试验研究。结果表明,竖向直排冻结过程中埋深对水平冻胀力的影响明显,在其他条件相近的情况下同一水平面中水平冻胀力的大小与温度密切相关;冻胀力的变化率主要受冻结锋面位置的影响,距离冻结锋面较近时冻胀力的变化率逐步达到峰值;已冻土体的冻胀力随冻结锋面向外发展而趋于平稳。     

填料对地热井固井材料导热性能的影响

在地热井固井水泥中加入导热填料能够明显改善水泥石导热性能,提升地热井取热效果。在总结导热路径理论和紧密堆积理论的基础上,通过试验研究不同填料种类、粒径及掺量对固井水泥导热性能的影响。试验结果表明:较其他种类填料,石墨对水泥石导热性能提升效果最好;石墨粒径越大对应水泥石导热系数越高。不同粒径的石墨混合,较单一粒径石墨对水泥石导热性能的提升效果更好,其最优混合配比为:石墨粒径为150 μm与100 μm,质量比为2:1。随着石墨掺量增加,固井材料的导热系数逐渐增大,但流动度和48 h抗压强度逐渐降低。参照固井相关规范,提出固井材料中石墨掺量应控制在9%左右为宜。研究成果为地热井高导热固井材料的制备提供借鉴。移动阅读      

开放系统下饱和正冻土热质迁移的数值分析

引人Heaviside阶梯函数和Z函数使得冻结区和未冻区的导水系数、导热系数、体积热容量和土水势可以用统一的公式表达,提出了开放系统下饱和土在冻结过程中热质迁移的数学模型．对一个侧面绝热的圆柱土样的热质迁移过程进行了计算机模拟,结果表明：温度变化速率、冻结速率和温度梯度随时间减小,在冻结锋面附件温度分布曲线有拐点,冻结...     

非等温条件下道路水分迁移的数值模拟

通过分析季节冻土区的温度分布规律,建立了温度随时间的变化函数.在此基础上,基于连续介质力学和热力学理论,建立了道路水分迁移过程中的水热耦合动力学模型,并对季节性冻土地区的水分迁移现象进行数值模拟分析,初步探讨了在非等温冻结条件下,水热耦合过程中路基填料的含水量和温度随时间和深度变化的关系,计算结果表明,冻结过程中在冻结峰面附近形成一个冻结含水量峰值,且该峰值随着冻结时间的延长而向深度发展,这对于路基路面的综合设计,道路冻害的预报有着重要的理论意义和实际应用价值.但要真正体现道路路基水分迁移的机理,有待于建立水分迁移过程中水、热、动载和渗流耦合模型,这是有待于进一步解决的问题.     

我国季节冻土区路堑段路基水热特性及冻胀发展过程监测研究

路基冻胀问题严重影响季节冻土区高速铁路的运营安全。基于哈大客运专线长春市郊区试验路段某一路堑段路基,采用级配碎石+防水土工膜+A、B组填料+防水土工膜的新型路基结构,对不同位置及深度的温度、水分及冻胀变形进行监测,分析了季节冻土区不同深度下的水热特性及冻胀随温度变化的特征。结果表明：复合土工膜对路基冻结期水分迁移起到隔断作用,对于路堑式路基而言,由于边坡汇水作用,坡脚冻深大于路基中心。路基基床上层及中层变形主要受含水量影响较大,而下层由于温度基本为正温变形主要受路基填料质量控制。     

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。     

冻融循环作用下土体冻结锋面移动规律试验研究

冻融循环作用改变了土体结构及热物理性质,进而影响了土体温度变化过程,土体冻结锋面的稳定位置也随之变化。为研究冻融循环作用下土体冻结锋面的移动规律,进行了开放系统下的兰州黄土冻融循环试验。试验结果表明：冻结初期冻结锋面迅速下移,冷端温度稳定后其下移速度降低,当土体温度达到平衡时,冻结锋面位置趋于稳定;冻结锋面稳定深度随冻融循环次数的增加而增加.为阐述黄土冻结锋面随着时间变化规律,采用时间比拟法得到了冻融循环次数与冻融时间相似比拟曲线。由拟合曲线得第6次冻融循环后土体冻结锋面稳定在土样高度24.4mm处,实测稳定在24.3mm处,相对误差为0.4%。     

非饱和粗颗粒土体的冻结试验研究

按照实际工程中路基填料的级配要求配制试样,在考虑覆盖层和补水条件下进行室内单向冻结试验,开展了土质、温度梯度和温度边界条件对非饱和粗颗粒填料冻胀特性的影响研究。试验结果表明：土质、温度梯度和温度边界对粗颗粒填料的冻胀特性影响显著。其中混合细粒的冻胀量最大、黏质黄土次之、粉质黏土最小,且其对应的试样顶部、冻结锋面处的含水量及外界补水量均具有相同的大小关系。温度梯度越大,冻胀量越大,试样顶部含水量越高,但冻结锋面处的含水量变化比较小,同时外界补水量越小。试样冷端温度边界越低,冻胀量越小,试样冷端含水量越小,但外界补水量越大。     

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。      

青藏高原含砂砾石土壤导热率实验研究

土壤导热率是土壤的基本物理参数之一,也是陆面模式的重要输入量,对研究土壤热传输、水热耦合运移有重要意义。青藏高原由于独特的地理环境备受学者关注,但目前常用的土壤水、热属性参数化方案仅仅考虑了沙土、粉土和黏土,就砂砾石重要性的认识还不足,很少有模式模拟砾石对青藏高原多年冻土和高寒草地的影响。采用便携式热导仪（KD2 Pro,DECAGON,美国）测量了青藏高原玛多和北麓河两地典型土壤在冻结和未冻结状态下不同水分条件时的土壤导热率,分析了砂砾石含量对土壤孔隙度的影响及冻结和未冻结状态下,不同水分条件下砂砾石含量对土壤导热率的影响。结果表明：当含水量高于某一阈值时,含水土壤冻结状态下的导热率高于未冻结状态下的导热率;土壤含水量对土壤导热率影响显著,导热率随着含水量的增加而增大,在含水量较小时变化更明显;砂砾石含量比重多的土壤孔隙度较小,且砂砾石含量越大的土壤在冻结状态下导热率高。以上结果表明,砂砾石对土壤导热率有显著影响,在将来的模式模拟研究中必须考虑砂砾石对土壤热属性的影响,进而提高土壤水热过程模拟的精度。     

富水砂层斜井冻结壁力学特性及温度场研究

研究富水砂层斜井冻结壁力学特性及温度场分布规律,可为解决斜井冻结法凿井穿越富水砂层技术难点提供可靠依据。以陕北某斜井冻结法凿井工程为研究背景,通过室内物理力学试验、现场实测及有限元数值模拟相结合的方法,研究了冻结状态下砂土的热物理及力学特性,分析了斜井冻结法凿井期间冻结壁受力机制,深入分析斜井冻融过程中冻结压力变化规律及原因,对测温孔与冻结壁径向温度实测与数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明,随着温度降低,冻结砂土导热系数呈现出先增大后减小的趋势,且冻结温度对冻结砂土的内摩擦角影响较大;冻结温度、井筒埋深和地下水对冻结压力的影响较大;混凝土水化热对冻结壁的影响范围约为460~475 mm。研究结果可为富水砂层地区斜井冻结法凿井的优化设计和安全稳定性研究提供依据。     

风化千枚岩填筑路基湿化变形现场试验分析

为了分析千枚岩填筑路基浸水后的稳定性,对十堰至天水高速公路安康东段路基的湿化变形及回弹模量进行现场测试。在对风化千枚岩填料物理力学性质分析的基础上,提出路基填筑方案：加州承载比CBR>3%的风化千枚岩填料直接填筑路基;CBR<3%的风化千枚岩填料外掺3%水泥改良后填筑路基。通过对现场试验路进行浸水前后的承载板测试,分析浸水量、浸水时间对湿化变形、变形率及路基回弹模量的影响;结合不同深度含水率的测试,分析了测试点含水率和渗水深度与湿化变形的相关性。研究结果表明：浸水量和浸水时间是影响路基渗透深度和含水率的关键因素,未改良路基湿化变形受浸水影响比改良路基要明显;浸水量和浸水时间都相同的情况下,未改良路基浸水后回弹模量衰减比改良路基大     

地热井固井材料导热性能影响因素

固井材料导热性能是影响地热井取热效果的因素之一。为提升地热井固井材料导热系数，采用正交试验，借助层次分析-指标重复性相关（AHP-CRITIC）混合加权法和极差分析，进行固井材料导热性能研究。结果表明:添加天然鳞片石墨、铁粉和石英砂均可提高固井材料导热系数，其中石墨对导热系数的提升作用最为显著，铁粉次之，石英砂最小；石墨掺量和水固比分别是影响固井材料综合性能的主次要因素；随着石墨掺量递增，其导热系数递增、48 h抗压强度和流动度均递减；得出高导热固井材料的优选配合比为:水固比值0.44，石墨、铁粉和石英砂掺量分别占水泥质量的7.5%、3%、2%，其导热系数可达1.87 W/（m·K），较常规固井材料提高约70%。研究成果可为地热能高效开发利用提供参考。      

大气作用下浅层非饱和黄土温度变化及其影响因素研究

为了研究大气作用下西北地区浅层非饱和黄土温度场的变化规律及其影响因素。填筑一维土柱模型,在室外自然条件中做大气循环作用下的蒸发模型试验。试验结果表明:在0~10 cm深度范围内,土体温度随深度的增加而降低,在土样表层5~10 cm处温度最低;在相同的外界条件下,土体初始体积含水率越高、压实度越大,导热系数越大,温度变化幅度越大。随着深度增加和蒸发时间增长,压实度和含水率引起的导热差异叠加,使得同一深度处不同压实度和不同含水率土体的温差增大;土体初始体积含水率和压实度均对温度的迁移产生影响,相对于随压实度的变化,土体体积含水率的改变对土体温度迁移影响更显著;随着蒸发时间的增加,温度由表及里逐渐升高,在深度方向上温度先减小后增大。不同深度处土体温度增长曲线大致为"S"型递增曲线,可分为蒸发3阶段。