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。     

土体冻融过程中渗流场应力场温度场耦合作用机理研究

土体冻融过程中的耦合作用机理研究是求解冻土工程问题的基础。为了全面了解冻土体中水、热、力耦合作用行为,本文从各自耦合过程特征出发,从数学建模和数值求解的角度对渗流场、应力场、温度场耦合作用机理进行了探讨,确定了土体冻融过程中三场之间的耦合作用关系和求解冻土工程问题的计算方法,为冻土边坡工程稳定性评价和寒区防灾、减灾工作提出了一个新的研究课题。      

深基坑支护体系冻胀变形数值分析

季节性冻土区域的基坑工程可能会经历过冬,其支护结构会受到土体冻胀的影响。研究了土体冻胀引起的深基坑支护结构变形问题。基于冻胀理论分析了土体冻胀对基坑支护结构的影响机理。结合具体工程实例构建了土体温度场与应力场基本方程,定义了有限元分析的相关热力参数和力学参数。利用ANSYS有限元分析软件模拟了温度变化、锚杆轴力变化和桩身水平位移变化。模拟结果与实践监测结果基本一致,取得了良好的模拟效果,为后续类似深基坑越冬工程提供了参考。     

某矿石码头堆场矿石分级压载的地基沉降预测

采用规范沉降计算法及太沙基一维固结理论,对某矿石码头堆场地基的沉降进行计算分析。基于沉降实测资料,采用反分析方法,确定了各土层的压缩模量和固结系数,并将反演得到的参数代入太沙基一维固结方程,对后续沉降进行预测,从而确定分级压载的下一级压载时间与压载量。与传统的沉降预测方法相比,由反演分析得到土层参数,对后续沉降进行预测的方法,其结果更加真实可靠,也更能反映实际土体的固结沉降机理。该方法可供今后其他类似工程的设计和施工参考。     

人工冻土黏弹塑性本构参数反分析研究

通过大量的人工冻结黏土蠕变试验研究,获得在高偏应力下人工冻结黏土具有显著的蠕变特性：当应力水平较低时,人工冻土发生黏弹性蠕变变性;当应力水平较高时,人工冻土发生黏塑性蠕变变性。因此,以西原模型为基础,增加一个黏弹性元件项和用抛物线屈服函数代替塑性屈服项,构建了高应力下抛物线型黏弹塑性蠕变本构模型。改进的西原模型可以较好描述人工冻土剪切蠕变特性。基于小生境技术的遗传算法和人工冻土黏弹塑性模型有限元理论,在FEPG（有限元程序生成器）自动生成平台上研发了位移反分析程序。利用现场实测数据对深井冻结井筒开挖过程进行了位移反分析,获得了与试验相一致的冻土本构力学模型参数,数值分析结果与实测数据之间的误差在6%以内,反演结果验证了模型的可行性。冻结井筒开挖过程的位移反分析获得的人工冻土本构模型参数,能反映冻结壁施工过程和有效冻结范围内冻土本构参数平均值,因而具有广泛的代表性,对冻结壁应力场、位移场和稳定性预测具有重要工程意义。     

人工神经网络在深基坑开挖土性参数反分析的应用

以深基坑土体弹塑性位移反分析为基础,提出了深基坑开挖土性参数反分析的人工神经网络法及利用网络输出的反演值对基坑围护结构的变形作预报,并通过工程实例验证了深基坑工程利用该方法进行反分析是可行的.     

基于有限体积法的冻土水热耦合程序开发及验证

土体冻结和融化时的水分迁移、相变与传热是一个相互影响的耦合过程。采用基于有限体积法的开源软件OpenFOAM,编制描述土体冻融过程的水热耦合计算程序。首先,基于土体水分和热量迁移基本方程、水分相变与温度的平衡方程,同时考虑相变对水分特征参数和热特性参数的影响以及相变潜热对传热过程的影响,建立冻土水热耦合数学模型。然后,采用基于多面体网格的有限体积方法对水热耦合控制方程进行空间离散,采用全隐式向后差分方法对方程进行时间离散,由此编制冻土水热耦合计算程序。该程序具有良好的几何适应性、质量和能量守恒性,具备面向复杂问题的并行计算功能。最后,采用该程序对两组不同温度边界条件的室内土体冻结试验进行数值模拟,并与试验结果进行对比,结果表明该程序可以较为准确地模拟土体冻结过程中温度场和水分场的演化特征。     

基于微观结构重塑的非饱和冻土导热系数预测

为预测非饱和冻土的导热性能,基于土体微观结构,提出了非饱和冻土特征结构识别算法和多元素生成算法,并将该算法与传统有限单元法组合,建立非饱和冻土导热系数蒙特卡洛预测模型。通过土体SEM电镜图像,采用逆向四参数增长识别法识别土体中各组分含量、大小以及各方向分布概率;改进传统的四参数随机增长法,提出了考虑土、水、冰和气的多元素生成算法;基于生成的非饱和冻土模型,通过蒙特卡洛方法获得非饱和冻土导热系数,并与规范中冻土导热系数进行对比,验证了蒙特卡洛法预测模型的合理性（平均误差<4%）;通过多因素分析研究孔隙率、颗粒大小、土体导热性、饱和度以及结冰率对非饱和冻土导热性影响,各因素与导热系数的相关系数依次为：-0.352、-0.098、0.641、0.520和0.060,影响大小为：土颗粒导热性>饱和度>孔隙率>土颗粒大小>结冰率。各影响因素对非饱和冻土导热系数影响可以归纳为对热通量形成“热链”密度、宽度、连通性、热流承载力以及对“热桥”通量的影响。     

基于有限体积法的冻土水热耦合程序开发及验证

土体冻结和融化时的水分迁移、相变与传热是一个相互影响的耦合过程。本文采用基于有限体积法的开源软件OpenFOAM,编制描述土体冻融过程的水热耦合计算程序。首先,基于土体水分和热量迁移基本方程、水分相变与温度的平衡方程,同时考虑相变对水分特征参数和热特性参数的影响,以及相变潜热对传热过程的影响,建立冻土水热耦合数学模型。然后,采用基于多面体网格的有限体积方法对水热耦合控制方程进行空间离散,采用全隐式向后差分方法对方程进行时间离散,由此编制冻土水热耦合计算程序。该程序具有良好的几何适应性、质量和能量守恒性,具备面向复杂问题的并行计算功能。最后,采用该程序对两组不同温度边界条件的室内土体冻结试验进行数值模拟,并与实验结果进行对比,结果表明该程序可以较为准确地模拟土体冻结过程中温度场和水分场的演化特征。     

青藏公路多年冻土路段冻土过程的变化和控制建议

本文通过青藏公路沥青路面下冻土地温观测,分析冻土过程变化的主要原因。根据青藏公路楚马尔河高平原段的地温温度场的一年观测结果,分析活动层的热状态,并通过热状态方程预测人为多年冻土上限的变化,给出了冻土变化的控制建议     

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。     

基于主动加热光纤法的冻土相变温度场特征分析

冻土温度场分析对于冻土特性研究及冻土地区工程建设具有重要的作用,而冰水相变所产生的相变潜热大大增加了冻土温度场分析的复杂性。针对该问题,基于线热源模型和冻土传热基本理论,在考虑未冻水和相变潜热的情况下计算了冻土导热系数、体积热容和相变热容,分析其与测量初始温度的关系;在分析结果的基础上,对冻土含冰量的光纤测量技术进行了理论修正。基于主动加热光纤（AHFO）法,开展了一系列室内验证试验:在恒定的加热功率和时间下,采用自主研发的光纤光栅（FBG）刚玉管传感器,对同一初始含水量的冻土试样进行温度监测。结果表明:在本文试验条件下,FBG刚玉管传感器的影响半径小于5 cm,可以忽略边界效应;传感器所测温度增量与时间对数线性关系良好,主动加热对于冻土导热系数影响较小,线源模型适用于冻土导热系数测量;冻土导热系数与试验初始温度呈线性增长关系;在初始温度低于-6 ℃时,相变热容趋于稳定;在-6~0 ℃时,相变热容随温度升高逐渐增大,且变化趋势愈渐强烈;当初始温度高于-5 ℃时,相变热容甚至大于冻土自身的体积热容。相关结论为进一步提高冻土含冰量测试技术的精度提供了参考。     

青藏铁路普通路基下部冻土变化分析

高温高含冰量冻土地区,青藏铁路采取了冷却路基、降低多年冻土温度的工程措施.然而青藏铁路仍有大量路段未采用任何工程措施,因此修筑普通路基后冻土变化也是普遍关心的问题.根据青藏铁路普通路基下部土体温度监测的近期结果,分析了季节冻土区、已退化多年冻土区和多年冻土区路基下部冻土变化特征.结果表明,不同区域修筑普通路基,其下部土体温度、最大季节冻结深度、多年冻土上限等存在较大的差异.在季节冻土和已退化多年冻土区,右路肩下部(阴坡)已形成冻土隔年层;在多年冻土强烈退化区,其路基下部形成融化夹层;在高温多年冻土区,其路基下部上限存在抬升和下降,上限附近土体温度有升高的趋势.在低温多年冻土区,其路基下部上限全部抬升,上限附近土体存在"冷量"积累,有利于路基下部多年冻土热稳定性.因此,低温多年冻土区修筑普通路基后,冻土变化基本是向着有利于路基稳定性的方向发展,在其它地段修筑普通路基,冻土变化是向着不利于路基稳定性的方向发展的.特别是阴阳坡太阳辐射差异,导致了土体热状态和多年冻土上限形态产生较大的差异,这种差异将会对路基稳定性产生一定的影响.     

冻土导热系数研究现状及进展

冻土导热系数是影响冻土温度及热通量变化的一个重要参数,也是研究陆地表层水热盐耦合运移的基本物理参数。根据国内外研究现状,列举了导热系数的测试方法（稳态法和瞬态法）,总结并讨论了冻土导热系数的影响因素及其变化规律,并对目前已有的导热系数计算模型进行了比较分析。现有研究认为：土壤质地、温度和含水（冰）量、孔隙度、土壤有机质等是影响冻土导热系数的主要因素,因此,冻土土导热系数随这些影响因素的变化规律方面的研究工作非常多;而关于未冻水含量、土骨架组成及冻土结构等对冻土导热系数影响的相关研究较为缺乏。通过比较分析国内外土壤热导率计算的相关模型,认为适用于常温下导热系数的模型发展趋于成熟;而现存的适用于冻土区的导热系数计算模型多以一种或几种土壤条件为前提,或者多考虑局地因素影响,模型的适用性具有局限性。考虑到多年冻土区土壤受冻融循环影响较大,以及多年冻土内部水热传输过程的复杂性,多年冻土区导热系数的计算模型仍需进一步深入研究。     

青藏铁路沿线多年冻土区地温场变化规律

青藏铁路通过约550km的多年冻土区,统计和分析青藏高原多年冻土分布区主要气象台站的资料可以看出,近30a来高原多年冻土区的气候变化总的趋势是向着气温升高的方向发展的,气温的变化对多年冻土热状态的扰动主要表现在地温场的变化上.30多年来高原气温升高0.45℃左右,并引起冻土地温平均升高了0.2～0.3℃.分析青藏铁路通过的多年冻土地区典型地段测温孔资料,发现多年来气候转暖已经使冻土上部(20m以上)地温明显升高,影响深度已经波及到了40m.     

青藏高原典型多年冻土区的一维水热过程模拟研究

了解多年冻土内部的水热过程对寒区工程规划和建设的辅助决策具有重要意义.冻土的水分迁移与温度变化密切相关,然而传统的经验模型局限性大,对水热物理过程考虑不足;陆面过程模型所需的驱动数据多且很难准确模拟深层土温,尽管数值模型在工程上应用的比较多,但很少应用到冻土的演化过程中.基于非饱和土壤渗流和热传导理论,实现了冻土水分场与温度场的水热耦合数值模拟.以唐古拉综合观测场为例,将数值模拟结果与观测数据进行对比,验证水热耦合数值模拟的有效性.结果表明：模型对土壤温度模拟效果较好,15 m以上R²在0.88以上,RMSE在1℃以内;水分模拟尚可,但仍存在一定误差,R²在0.7以上,RMSE在7.65%以内.模拟的活动层厚度约3.6 m,年平均地温所在的深度约为15 m,与实测值基本一致.该水热耦合模型可用于研究多年冻土区土壤水热变化规律.     

多年冻土地基正温输气管道地温场实测及分析

我国有多条油气管道位于多年冻土地区,工程问题层出不穷。因输送介质处于正温状态,其所释放热量对管道周围冻土冻融过程有极大影响。为阐明正温管道对多年冻土温度场及冻融特征的影响,基于西部某多年冻土区正温输气管道现场实验,对管道地基温度场进行了为期1年的现场实测。数据分析表明,多年冻土天然上限为1.5~2.0 m;土体融化期及冻结期分别为6-10月、11-次年5月;监测段多年冻土热量收支基本平衡,属于不稳定冻土,在外界热扰动下极易退化;正温输气管道的存在引起了多年冻土的退化且对其温度场有很大影响,水平方向影响范围约1.5 m,管下最大融深可达7.0 m。同时指出了针对处于临界状态的多年冻土,在基于对其全面、深入了解的基础上,越早考虑相关工程建设带来的热扰动对多年冻土的不利影响,则处置难度越低且损失越小。     

宽幅沥青路面热效应对其下部土体热状态的影响

在多年冻土区,道路工程建设会引起下伏冻土吸热融化,进而威胁上部工程稳定性,这一冻土问题是多年冻土区工程建设面对的重要问题.对于青藏高速公路而言,由于铺设高吸热性的沥青路面和路基幅面增宽引起的尺度效应,路基吸热量较普通路基将大幅增加,使得其冻土问题更为突出.基于此,利用数值仿真手段,考虑全球气候变暖背景,对宽幅路基修建完成后20 a的热状况进行预测研究和比较分析,阐明了宽幅面沥青路面热效应对下部土体热状态的影响及其与路基边坡水平热效应的综合贡献,比较分析了全幅修建和分幅修建条件下下伏冻土热状态的异同. 研究成果将为多年冻土区高速公路的路基稳定性研究和建设模式等提供基础理论指导.     

青藏工程走廊典型热融灾害现象及其热影响研究

在全球变暖及人类工程活动的影响下,青藏工程走廊内的热融灾害普遍发育。研究走廊内各类热融灾害的发育现状及其对多年冻土的热影响对今后的工程规划和冻土环境保护具有一定的指导意义。本文通过大量的野外调查工作,总结了走廊内热融灾害的类型及其发育现状,并选取3种典型热融灾害进行现场地温监测,分析其对多年冻土的热影响方式和程度。研究结果表明:3种热融灾害对其发育区域及附近的多年冻土都产生了巨大的热影响,热融滑塌和热融沟主要影响浅层的地温状况,而热融湖塘的影响范围更大,其发育甚至会导致湖塘下部形成多年融区。此外,侧向热流计算结果表明,3种热融灾害全年都在向其周边的多年冻土放热,通过对比发现热融湖塘的侧向热侵蚀能力最强,其次是热融沟,侧向热侵蚀最小的是热融滑塌。     

青藏高原冻土区活动层厚度分布模拟

活动层夏季融化、冬季冻结的近地表土(岩)层,是冻土地区热力动态最活跃的岩层,在冻土研究中有着重要意义.根据青藏高原地区80个气象观测台站1991-2000年的地面温度观测资料结合数字高程模型,计算出青藏高原冻土区的地面冻结指数和地面融化指数,然后应用斯蒂芬公式分别得到多年冻土区的季节融化深度和季节冻土区的季节冻结深度.