冻土路基温度场有限元分析

在冻土工程领域,国内外已经展开了广泛的基础性研究,取得了丰硕的成果。对冻土路基温度场问题,目前已有理论依据和计算方法,但是,只考虑了第一类边界条件,本文利用有限元软件同时考虑了辐射、蒸发、换热等各种边界条件对冻土路基非稳态温度场进行了计算分析。根据计算结果分析,从而有力地验证了采用有限元计算方法来分析冻土路基温度场的可靠性。     

青藏高原多年冻土区路基温度场数值模拟

根据青藏公路沿线近30年的气象资料，考虑太阳辐射、气温、风速、风向、蒸发等第二类、第三类边界条件，结合路线走向、路基高度、路面类型状况，对青藏公路五道梁地区路基温度场进行有限元分析。经验证，计算结果与路基温度场实测资料基本一致。有限元分析表明，在年周期内路基边界处的温度仍然可按正弦曲线较好地加以拟合；路线走向对冻土路基温度场的对称性有着重要影响，东西走向路基阴阳坡效应最为显著，南北走向路基的温度场基本对称；当路基存在坡向差异时，其阴阳坡效应的强弱与季节密切相关，夏季较弱，冬季较强。     

冻土路基温度场室内足尺模型试验

取用多年冻土地区代表性土类进行冻土路基室内足尺模型试验,建立伴有相变的路基非稳态温度场的控制方程,在空间域内用采用混合单元的有限元网格划分,在时间域内用有限差分格式划分的混合解法进行有限元分析。通过对观测结果进行数值模拟,验证了数学模型的正确性。进一步分析路基温度场的变化规律与野外观测结果的变化规律,其一致性说明了室内模型试验可以模拟野外冻土路基的真实情况,为研究冻土路基温度场的变化规律提供了可靠依据。     

青藏公路冻土路基最大设计高度研究

针对冻土路基斜坡稳定性受温度场影响的特殊性,采用自行开发的数字路基仿真平台对不同地温、不同坡度和不同路基高度条件下的大量工况进行了温度场数值模拟。采用冻土力学参数与地温的拟合公式将温度场与力学场关联起来,并考虑到冻融交界面作为软弱夹层对于冻土路基稳定性控制作用,采用自行编制的冻土斜坡稳定性评价程序对各工况进行了稳定性系数计算,并考虑了荷载作用对冻土路基斜坡稳定性的影响。参照《公路路基设计规范》中对于路堤软弱层滑动稳定性的设计规定,提出了不同坡比、不同荷载作用条件下的冻土路基最大设计高度。     

冻土融沉对路面结构力学响应的影响

为研究冻土融沉规律及其对沥青路面结构的影响,结合青藏高原地区实测温度数据,运用数值模拟技术研究多年冻土地区路基温度场变化特性,分析特定温度场条件下冻土路基融沉规律,再以该融沉曲线为路面结构的位移边界,计算了路面结构的融沉附加应力,并与无融沉时的结构响应进行了比较。研究结果表明:冻土路基从表面逐渐向内融化,当外界温度较低时,路基土内部还存在冻土核,当外界温度足够高时,则路基土内部可能全部融化;当融深较大时,固结沉降较大,反之则较小;冻土路基融沉变形曲线近似于抛物线形状,回归建立了路基融沉变形公式,而在此位移边界条件下,路面结构产生附加应力,会对结构产生不利影响。     

冻土路基边坡稳定性计算程序开发

寒区边坡稳定性评价的特殊性在于其土体内部温度场的不均匀性。针对寒区边坡特点,提出以冻土物性参数随温度变化作为温度场和应力场的耦合纽带。考虑温度分布对土体力学性质改变及冻融交界面的影响,开发了耦合温度场的冻土边坡稳定性评价程序;并对非圆弧滑面稳定性系数求解中取矩中心的求解做了相应改进。利用开发的冻土路基稳定性计算程序,对坡度为1∶1.5的4 m路基进行了不同地温条件下的工况计算。计算结果表明在评价冻土路基正融期滑坡的稳定性时,采用折线滑面的方法来评价更为科学、严谨。此外计算结果还表明,冻土路基年度最小稳定性并非出现在融深最大的10月份,而是出现在暖季的早期从而形成热融滑塌现象;且年度最小稳定性出现的时间随地温的降低而向后推移。     

路基冻结过程中温度场对变形场的影响

为了研究冻土路基温度场及变形场的动态变化规律，基于伴有相变的路基非稳态温度场控制方程和冻土路基变形场二维数值计算模型，对冬季冻土路基温度场和变形场进行了计算分析，得出路基深层土中的温度变化滞后于表层土和气温；对于冻胀冰锋线分布较广的路基，其破坏易在坡脚处产生；冻胀冰锋线分布范围较小的路基，破坏大致发生在竖向位移较大的路基中部。结果表明，冻胀冰锋线的范围是影响路基变形场的重要因素。     

热流固耦合作用冻土路基变形规律研究

为揭示季节性冻土路基温度场、应力场和夏季降雨与冰晶融化所产生的渗流场,三场耦合引起的冻土路基变形与破坏.根据热流固三场耦合理论,提出了考虑相变的温度场、渗流场和变形场耦合的数学力学模型,体现了冻土路基中固体骨架、水、冰三相介质的水、热、力耦合作用;在数值模拟分析中,将路基仅受温度载荷与温度和车辆荷载共同作用进行了比较,得出冻土路基的变化规律,其研究结果对冻土路基的施工和维护有一定指导意义.     

水泥混凝土路面的路基温度场测试及数值模拟

路基中温度的分布和变化规律是研究季节性冰冻地区水泥混凝土路面稳定性的基础。基于黑龙江省鸡讷(鸡西—讷河)公路试验路段的路基温度场测试资料,分析温度场的变化规律;建立水泥混凝土路面结构的路基温度场模型,分别在第一类边界条件(附面层理论)和第二、第三类边界条件下对路基温度场进行数值模拟。研究结果表明:路基内部温度变化滞后于大气温度;第二、第三类边界条件作用下的路基温度场数值模拟结果比第一类边界条件更接近温度实测值;沿深度方向,越靠近路基表面,第一类边界条件下的计算值与现场实测值的差异越大,越往下差异越小;而第二、第三类边界条件下的计算值与实测值的差异沿深度方向变化较小,可应用于路基温度场的数值模拟。     

多年冻土路基水-热-力耦合理论模型及数值模拟

在建立多年冻土地区路基非稳态温度场控制方程、水分迁移的有限元控制方程和路基变形场及应力场计算模型的基础上，提出水-热-力耦合模型。以青藏公路唐南段K3393＋950的冻土路基为计算对象，得出了1月份路基温度场、水分场及应力场（变形场）的分布规律：路基温度场内部存在着未冻土核；水分场在温度梯度的作用下有向冻结冰锋线迁移的趋势；在负温条件下，土体的体积含冰量超过临界值时，将产生冻胀现象。研究结果表明，多年冻土地区路基的温度场、水分场及应力场一直处于动态变化中，路基的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起道路冻害的主要因素。     

季冻区高速铁路路基冻融变形特征研究

为研究季冻区高速铁路路基冻融病害及其变形特征,以兰新高速铁路K1934+190无砟轨道路基断面作为研究对象,在已有的水分迁移控制微分方程、瞬态温度场控制微分方程及土体单元应力-应变方程的基础之上,建立了无砟轨道路基受水分、温度及应力影响的数学计算模型,通过模拟和现场监测对比分析了自2019年10月初至2020年5月初路基的动态变化规律。结果表明,由于水分场、温度场对季冻区高速铁路路基的耦合作用,致使路基水分变化、温度变化及由此产生的温度场重分布、水分场重分布是导致路基发生冻胀融沉的关键因素,其变形在时间域上呈规律性变化,这一结论可为研究冻土地区高速铁路路基冻害治理提供参考。     

动荷载作用下高温冻土路基的动力响应分析

采用有限元计算和模拟试验相结合的方法,研究了高温冻土路基在列车动荷载作用下的动力响应。首先,通过数值计算分析了路基的地表变形、内部土压力的变化规律。根据相似理论确定并没计了冻土路基模拟试验装置,通过在路基周围地表及其内部布设压力和变形传感器,并用自行设计的列车动荷载加载装置对路基施加模拟荷载,进行了冻土路基的模拟试验。模拟试验和数值计算的结果分析表明:采用的数值计算模型和模拟试验方法基本可行,研究结果可为青藏铁路的安全运营以及维护提供参考。     

桥梁大体积混凝土施工温度场与温度应力的仿真分析

采用三维瞬态温度场理论,运用有限元程序ANSYS的通用平台,建立大体积混凝土温度场与温度应力有限元计算模型,对湖北野三河大桥3#主墩混凝土的温度场与温度应力进行仿真分析,计算了大体积混凝土内部温度场及仿真应力场,并与实测结果进行比较,结果显示所建立的有限元分析模型可以较好地计算混凝土施工时的温度场与温度应力。     

特厚表土层冻结方案探讨及数值模拟研究

针对特厚表土层立井冻结方案的选择尚无理论依据的现状,采用理论计算和数值模拟相结合的分析方法,获得了丁集矿冻结温度场分布规律和冻结壁厚度等重要冻结参数。实践表明,该设计方案能较好地满足现场工程实践的要求。     

采用传递函数法进行过程优化的灵敏度分析

为提高非线性优化分析的计算效率 ,对于受温度和机械载荷作用的运行过程优化这一类非线性很强的优化问题 ,根据其目标函数和约束函数的灵敏度分析占据了大部分的计算量的特点 ,从瞬态温度场中热惯性作用的影响出发 ,采用了传递函数法进行温度、应力场及灵敏度分析。其优点是只需再进行一次详细有限元分析就可得到各种复杂温度变化引起的响应及灵敏度。实际算例表明 ,采用该方法可以大大提高计算效率 ,同时又能够保证足够的计算精度     

求解温度场的非线性有限元方法

从Galerkin有限元方法出发,对自由表面上的辐射换热的数学表达式不作线性化处理,而是把温度场的求解问题转化为非线性代数方程组的求解问题,并且用Newton迭代法计算了温度场．     

弱排水桩复合地基固结性状

针对关于弱排水柱复合地基固结性状的研究还处于初步阶段的情况,采用水泥土搅拌桩为研究对象,对其进行了探讨。利用有限元计算对弱排水桩复合地基孔压消散的规律进行了分析与研究,得出了极端处孔压随时间的变化规律,以及不同荷载作用下的孔压分布情况,并通过实测结果得到了进一步验证。据此提出了若干建议性的结论,为解决复合地基固结性状问题提供了一定的理论指导。     

粉末温压中模具的加热设计及有限元热场分析

为解决粉末温压设备的加热问题,本文通过理论分析和计算采用电加热方式,根据实际需要设计并选择合理可行的模具加热装置。利用有限元前后置处理软件MSC．Patran及分析软件MSC．Marc对温压模具进行热场分析,模拟了模具的温度场状况,通过实验验证了所提出的设计方案及采用有限元分析的可行性。