田桓铁路大前石岭隧道进口块碎石冻土成因机理

田桓铁路大前石岭隧道进口发现岛状多年冻土,该区域现在不具有发育多年冻土的气候、地理条件。根据对研究区的冰缘地貌现象分析,并对冻土采用不平衡U系法测年得知该冻土非现在气候条件下形成,而是形成于晚更新世末次冰期冰盛期,年龄为(12 279±79)年。现场对冻层测温表明该冻土是由于表面块石层气冷作用得以保持其热稳定性并保存至今,冻土表面7 m厚的块石层气冷作用使冻土温度平均降低约1. 5℃。开挖可能会破坏现有的热平衡体系,建议减少表层块石、碎石层的开挖。冻土测温加冻冰测年的方法为类似冻土研究提供了借鉴和参考,本研究成果可为田桓铁路建设提供了重要参数。     

多年冻土区高等级公路路基温度场研究

在全球变暖的背景下,利用有限元法对多年冻土区高等级公路路基温度场进行数值模拟研究。分析路基高度分别为2.0,3.0,4.0,5.0和6.0 m时路基高度与路基下方冻土上限的关系,分析路面宽度分别为14.0,16.0,18.0,20.0和24.0 m时路面宽度与路堤内和基底融化夹层面积的关系。研究结果表明:在影响路基下方多年冻土上限和融化夹层面积的各因素(路基高度、边坡坡度和路面宽度)中,路基高度对冻土上限的影响程度最大,路面宽度对路基内和基底融化夹层面积的影响最大;冻土路基在20 a的设计使用年限内合理高度为4.26 m;冻土路基在不采取"冷却地基"措施的情况下,在20 a的设计使用年限内,路面最大宽度为6.0 m;当路面宽度为12 m时,分幅路基的合理间距为35.3 m。     

抛石挤淤机理及其颗粒流数值模拟研究

利用压载挤淤理论对深圳港大铲湾三期陆域形成工程及海口马村港区一期工程抛石挤淤堤挤淤深度进行预测研究,比较挤淤深度计算值与实测值;通过理论分析,提出抛石挤淤机理;采用颗粒流理论(PFC)模拟抛石挤淤的施工过程及施工控制条件;比较相同作业条件下不同淤泥层厚度的挤淤深度关系。研究结果表明:挤淤深度计算值明显小于实测值;抛石挤淤机理不仅仅是压载问题,它还包含块石动能冲击和局部应力集中对挤淤深度的影响;在不同抛填强度、块石直径的挤淤深度,其模拟结果与实测结果基本吻合,一次性抛石量越大;块石直径越大,则挤淤深度越大;淤泥层厚度越大,则挤淤深度也越大。     

青藏铁路封闭抛石路基流场与温度场特性数值分析

铁路道碴层和抛石铺层可以看作多孔介质，其内部流体的对流换热为多孔介质的传热传质问题. 在多风的青藏高原，抛石路基结构往往会因为抛石层表面被风沙、积雪等封堵，在石头层内形成一个封闭系统. 针对青藏高原特殊的气候以及地质条件，基于多孔介质对流传热理论，对封闭抛石路基这一特殊结构的流场和温度场特性进行了数值研究与分析. 结果表明：抛石路基在封闭的特殊条件下，内部空气运动方式为自然对流，且仍具有明显的冷却降温作用，这可为多年冻土区抛石路基的长期使用与维护提供参考；但其降温效果及对流强度随着抛石层上部填土厚度的增大而削弱，这应引起设计与施工部门的足够重视.     

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。     

高纬度林区多年冻土片块石路基降温效果及变形特征

在边坡滑塌、不均匀沉陷等路基病害极易发生的多年冻土区,片块石路基是一种常见的路基结构,而其在高纬度林区的应用研究还相对较少。本文针对高纬度林区多年冻土体积含冰率高、对温度变化敏感等特征,以高纬度林区某段公路多年冻土片块石路基工程为例,建立冻融循环热力耦合数值模型,分析了片块石路基温度场和应力-应变场的变化规律,研究了路基冻胀融沉的热力学机制。结果表明：高纬度林区多年冻土片块石路基的温度场,在地下2 m内受地表温度影响显著,而地下2 m以下受影响较小,温度稳定在-1.5 ℃。多年冻土片块石路基的变形以融沉为主,在11月达到最大值,为13.5 mm;而冻胀量在4月达到最大值,为7.5 mm。路基融沉主要归因于冻土的融化,而路基冻胀是由于路基结构本身的冻胀变形引起的。因此,在高纬度林区多年冻土路基采用片块石冲压层和填筑层的结构是可行的,对路基下冻土起到良好降温效果的同时,路基的变形量也控制在了规范要求范围内。     

金属泡沫铜/石蜡复合相变材料融化传热特性的实验研究

为了探究不同厚度的金属泡沫铜对石蜡融化过程的影响,设计搭建了可视化相变蓄热实验台,制备了不同厚度的金属泡沫铜复合相变材料,通过实验对比研究了纯相变材料和添加不同厚度金属泡沫铜的复合相变材料的融化界面变化和内部温度分布,分析了不同厚度的金属泡沫铜对换热强度的影响。实验结果表明:在纯相变材料融化过程中自然对流起主导作用,5mm厚的金属泡沫铜促进了上部的石蜡自然对流,10、15、20mm的金属泡沫铜抑制了石蜡的自然对流;金属泡沫铜的厚度越大,导热换热强度越大;对流换热强度和导热换热强度二者呈现出负相关的关系;当金属泡沫铜厚度为14mm时,导热换热强度和对流换热强度相当。     

架空导线径向温差对弧垂计算的影响

建立了钢芯铝绞线径向温度场分布热路模型,利用有限元分析软件对不同载流值下导线截面的温度场进行计算,并分析了径向温差产生的原因,同时设计钢芯层和表层温度分布式实验进行验证.以实验结果为依据,讨论了不同的温差造成的弧垂计算误差,以及不同档距时的弧垂计算误差.研究结果表明:架空线径向温差随着载流量的提高呈增大趋势,自然对流情况下,表面温度70℃时,钢芯温度达到73.5℃,导致弧垂的计算误差逐渐扩大;在钢芯层和表层温差一定时,档距越大,计算误差越大,而相对误差越小.     

冻土区路基中隔离层设置的研究

研究冻土区路基隔离层设置对路基稳定性的影响,能为我国冻土区道路病害防治提供一定的参考依据。通过对冻土区隔离层在防治路基病害中的设置方式、厚度和位置的概括和总结,并在此基础上,探讨了今后需要进一步研究的问题。     

用冷却路基的原则修建青藏铁路

青藏铁路将要穿越的多年冻土半数以上属高温冻土，有40％为高含冰量冻土。在全球转暖的情况下，青藏铁路的修建必须考虑50～100年的气候变化。最近的预测认为：至2050年青藏高原将升温2.2～2.6℃，因而，铁路成败的关键在于能否保护多年冻土使其不融化。世界上在冻土区筑路已有百处以上的历史，但报道的冻土区铁路的病害率平均在30％以上。根据国内外多年冻土区筑路的经验和教训提出，青藏铁路的设计应该改变单纯依靠增加热阻（增加路堤高度，使用保温材料）消极的保护冻土的思路，而应全面采用“冷却路基”积极的“降低地温”的原则，特别是在高温、高含冰量 地段必须如此，进一步提出了通过改变路堤的结构和材料来调控辐射，调控对流和调控传导，以达到“冷却路基”的具体措施。     

金属泡沫/石蜡复合相变材料融化传热特性的可视化实验研究

为了探究不同厚度的金属泡沫铜对石蜡融化过程的影响,设计搭建了可视化相变蓄热实验台,制备了不同厚度的金属泡沫铜复合相变材料,通过实验对比研究了纯相变材料和添加不同厚度金属泡沫铜的复合相变材料的融化界面变化和内部温度分布,分析了不同厚度的金属泡沫铜对换热强度的影响。实验结果表明：在纯相变材料融化过程中自然对流起主导作用,5 mm厚的金属泡沫铜促进了上部的石蜡自然对流,10、15、20 mm的金属泡沫铜抑制了石蜡的自然对流;金属泡沫铜的厚度越高,导热强度越大;对流作用强度和导热作用强度二者呈现出负相关的关系;当金属泡沫铜厚度为14 mm时,导热换热强度和对流换热强度相当。     

金属泡沫/石蜡复合相变材料融化传热特性的可视化实验研究

为了探究不同厚度的金属泡沫铜对石蜡融化过程的影响,设计搭建了可视化相变蓄热实验台,制备了不同厚度的金属泡沫铜复合相变材料,通过实验对比研究了纯相变材料和添加不同厚度金属泡沫铜的复合相变材料的融化界面变化和内部温度分布,分析了不同厚度的金属泡沫铜对换热强度的影响。实验结果表明：在纯相变材料融化过程中自然对流起主导作用,5 mm厚的金属泡沫铜促进了上部的石蜡自然对流,10、15、20 mm的金属泡沫铜抑制了石蜡的自然对流;金属泡沫铜的厚度越高,导热强度越大;对流作用强度和导热作用强度二者呈现出负相关的关系;当金属泡沫铜厚度为14 mm时,导热换热强度和对流换热强度相当。     

青藏铁路五道梁地区冻土片石通风路基的气冷效果分析

以青藏铁路五道梁片石路基为研究实例,分析了片石层的工作原理,并与一般路基不同位置处的地温进行了比较,认为片石路基有利于保护冻土地温.在考虑空气对流作用的前提下,对五道梁片石路基进行了地温预测,结果表明,在预测前30年还能有效地保护冻土,而50年后其人为上限出现下凹形态.     

青藏高速公路宽幅路基温度场模拟分析

运用ABAQUS及其二次开发平台,建立了多年冻土地区路基温度场有限元分析模型.运用该模型对低等级公路窄幅路基和高等级公路宽幅路基温度场进行对比分析,对宽幅路基融深变化规律进行了研究.结果表明:不同宽度路基温度随时间均呈周期变化,但每年平均温度呈现总体上升的趋势,且在相同的时间条件下,随着宽度的增加,温度不断上升,但增加幅度逐渐降低;路基中心线处融深随宽度的增加呈三阶段上升趋势,路肩处融深随宽度的增加呈直线上升趋势,坡脚处融深随宽度的增加而增加,但变化幅度很小;增加宽幅路基高度可以在一定程度上起到保护冻土的作用,但路基高度增加到一定值后,继续增加高度对提高冻土上限作用不明显.     

道路工程中XPS保温板防冻胀厚度的研究

研究冻土区保温板铺设厚度对道路抗冻胀设计和工程实践具有重要参考意义。本文在对实验资料进行分析的基础上,对XPS保温板的抗冻胀性能进行分析,采用量纲分析的方法分析得出了路基防冻胀设计中XPS保温板合理厚度的经验公式,并通过工程实例进行了验证,验证计算的结果与工程实际结果有良好的吻合度,对冻土区XPS保温板厚度参数的选取具有重要参考意义。     

不同接触面厚度煤岩体三维建模与传热

为揭示不同接触面厚度煤岩体内热量传递情况,采用理论分析和数值计算方法,推导了多孔介质内连续性方程、动量方程和能量方程新的表达形式,分析了接触面厚度不同对煤岩体传热影响.计算结果表明:接触面厚度为2 mm和5 mm的煤岩体高温壁面下部导热作用最强;接触面厚度为3 mm和4 mm的煤岩体低温壁面上部导热作用最强;接触面厚度为2 mm和5 mm的煤岩体高温壁面中下部自然对流强;煤岩体壁面附近自然对流强,中央区域自然对流弱;煤岩体高低温壁面附近导热占主导;接触面厚度为2 mm和5 mm煤岩体热量传递情况相同,3mm和4mm煤岩体热量传递情况相同.     

沿江堤路新老路基裂缝扩展微观机理

针对堤防路基改扩建工程中新老路基不均匀沉降和拼接处沥青层断裂等实际工程难题,通过建立新老路基结合处离散元模型,进行拓宽路基变形不协调和路面沥青层裂缝模拟,从细观角度分析了交通荷载、不同加载部位下新老路基拼接处不均匀沉降,以及各因素作用下路面沥青纵向裂缝的形成机理,并探讨了沥青层的变形破坏模式及平行黏结的断裂程度.结果表明:该离散元模型可以很好地模拟实际新老路基拼接处不均匀沉降;在交通荷载和沉降速度相同的情况下,加载部位置于新老路基交界处时,沥青路面纵向裂缝发展得更明显;在路基沉降速度和荷载作用部位相同的情况下,荷载越大,路面竖向沉降越大,沥青路面纵向裂缝发展得更明显.该离散元数值模拟研究成果为非刚性基层沥青路面的微观力学行为研究提供了一种辅助手段,弥补了室内试验可视化的不足,丰富了路基变形协调和沥青路面裂缝研究.     

两种渐扩渐缩通道内层流传热特性的比较

利用贴体坐标系计算了等壁温工况下水在线型及波纹型渐扩渐缩通道内周期性充分发展的对流换热特性,两种通道进口高度相同,沿流动方向截面积相等,在相同质量流量、相同压力降和相同泵功率等条件下,比较了两种通道的换热特性,计算结果表明,在相同质量流量与相同泵功率条件下,波纹型通道的换热特性优于线型通道,而在相同压力降情况下波纹型通道不如线型通道。     

圆柱形铸锭凝固过程数学模型及其应用

对上、下绝热仅靠侧面换热的圆柱形铸锭,建立了凝固过程的一般微分方程,并求出了它的解析解,得到凝固层厚度与凝固时间的一般关系,为了便于计算,建立了有限差分格式,应用于自然对流和两种转速的强制对流下的Al-Cu合金铸锭实验的具体计算,分别求出了三种实验的凝固过程中的凝固层厚度与凝固速度公式,根据计算结果和实验观测,分析了强制对流对金属凝固过程的作用,获得一些有价值的结果。     

基于损伤的冻土本构模型及水、热、力三场耦合数值模拟研究

从材料的细观力学机理出发,建立了含损伤的冻土弹性本构模型．对于不同温度和冰体积含量下的冻结砂土,由该模型计算的结果与实测的应力-应变曲线较吻合,建立的冻土损伤本构模型能够较好地描述实际冻土材料的力学性质．利用自行开发的有限元程序,加入所推出的本构关系和所建立的数学力学模型,通过对渠道冻结和冻土路基的水分场、温度场、应力场进行数值模拟计算,得到了比较准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦合的计算结果,与前人的计算及实测结果相吻合,规律一致．算例表明该程序能够计算冻土材料的相关物理量,且能很好地描述它们之间的关系．研究在前人的工作基础上,结合青藏铁路路基工程,通过对冻土水、热、力三场耦合机理这一固体力学学科领域的难点问题研究,为冻土工程的设计、施工和维护提供有效的科学依据、分析模型及必要的参考．