上海长江隧道联络通道冻土帷幕温度场动态演化机理分析

研究了上海长江隧道联络通道冻土帷幕温度动态演化过程.运用ANSYS有限元软件建立了较为符合实际工程的三维实体模型,考虑了管片散热、冷排管等影响,用比焓值随温度的变化来反应相变潜热的动态变化过程.研究和总结了冻土帷幕温度动态演化机理,包括冻土帷幕发展规律、交圈规律、平均温度发展规律及冻土帷幕有效厚度发展规律.研究结果表明,冻土帷幕温度场的形成是一个有规律可循的连续性发展过程.有限元分析的冻土帷幕交圈时间、平均温度和冻土帷幕有效厚度与工程实测数据比较吻合.     

多年冻土区桥梁抗震研究进展

本项研究从冻土场地效应、冻土对桥梁地震响应的影响、冻土与桥梁结构相互作用3个方面总结了冻土区桥梁抗震的多年研究现状,旨在推动多年冻土区桥梁抗震理论的发展.结果表明:冻土场地地震效应显著,目前多年冻土区桥梁抗震设计中未充分考虑冻土场地效应的影响,且缺乏相应的抗震规范依据.大量数值分析结果显示,季节与多年冻土层均对桥梁地震响应产生显著影响,而目前多年冻土区桥梁结构-冻土体系的耗能机制及破坏特征的研究不充分,仍需大量震害调查和试验研究.对于多年冻土区桥梁工程广泛采用的桩基础形式,冻土层的存在使得地震作用下桩-冻土相互作用机理复杂化,桩-冻土相互作用理论计算模型有待完善.桥梁抗震分析中未充分考虑冻土水热效应的影响(冻土随温度和含水量等水热特性变化引起的力学性能的改变).上述问题都是今后多年冻土区桥梁抗震研究需重点关注的方向.     

公路工程冻土类型划分研究

在总结分析国内外已有冻土分类方案的基础上,针对中国现行公路工程冻土分类标准中存在的不足之处,结合目前对青藏公路沿线多年冻土研究的最新成果,提出了以多年冻土含冰特征与多年冻土年平均地温的综合指标——冻土热稳定性为基础的公路工程冻土类型划分方案,并对所划分出的三种冻土类型给出了相应的冻土路基设计原则.     

变直径冻结管冻结温度场发展规律数值分析

运用有限元软件建立了三维数值模型,并针对变直径冻结管冻土壁温度场的发展和分布规律进行了研究.数值计算表明:在30天到40天时强弱区的最终冻土厚度均为0. 5 m,其中,弱区的最小半径为0. 03m,冻土厚度达到0. 5 m,半径未达到0. 03 m时,冻土厚度无法达到要求;强弱区交界处的冻土厚度并不受强弱区域的影响,其冻土厚度保持在0. 5 m.所得结果可为今后类似的工程设计提供理论依据.     

冻土介电常数的实验研究

探讨了冻土介电常数的测量方法,通过实验初步研究了冻土介电常数随频率、温度和含水量的变化规律.     

冻土抗剪强度特性及试验研究

通过研制冻土变角剪切试验仪来测定冻土抗剪强度指标,即冻土内摩擦角和粘聚力;冻土变角剪切试验仪由WDT-100冻土试验机和变角试验装置两部分组成.试验加载和数据由计算机自动控制和采集,试验系统精度高、结果可靠.每组试样按照四种固定剪切面进行剪切试验;通过大量的试验结果表明冻土抗剪强度可用摩尔-库仑强度理论来描述,变角剪切试验仪是测定冻土抗剪强度行之有效的方法之一.     

冻土中冻结锋面移动的影响因素

冻结中的固液相变过程是冻土冻胀研究的一个基础.根据热传导理论,对半无限土体的热传导模型进行分析,将冻土分为已冻土和未冻土两个区,对固液相变以及冻结锋面的移动进行研究,探索影响冻土温度分布的因素,研究含水量、干密度和土的类型对温度场及冻结锋面移动速率的作用.同时根据冻结锋面的移动规律,建立了冻胀量随时间的关系式.最后,通过算例,结果表明含水量和干密度对冻土温度分布产生不小的影响,尤其是含水量,含水量越大,冻结锋面移动越快.含水量对冻土温度分布的影响最大,其次是干密度,土类型的影响最小.分析显示冻胀过程中温度与冻胀的影响作用明显,含水量是一重要因素,对冻胀量的影响是非常显著的.     

基于指数积分函数的人工冻土温度场解析研究

人工冻土温度场是与空间和时间相关的且含有相变的瞬态温度场.将指数积分函数作为人工冻土瞬态温度场的解析形式,通过指数积分函数的近似级数表达式和工程应用,说明瞬态冻土温度分布的近似解析解是可行的,且分别在时间和空间上服从对数规律分布.从冻结相变过程中,得出了冻土帷幕扩展厚度、速度与冻结时间关系的理论表达式,为冻结工程分析冻土温度分布、冻结帷幕的厚度、强度及冻结时间提供了一条新的途径.     

高海拔地区冻土地基的研究与施工

通过对冻土产生原因和条件的分析,结合冻土理论的研究及对具体工程的施工采用了行之有效的方案和措施,达到预防和控制由于冻土对建筑产生的危害,取得了良好的经济效益.     

盾构隧道修复工程中的垂直冻结加固应用

在盾构隧道的修复工程中,为了隔离损坏段和完好段的联系,防止进一步的坍塌破坏,便于进行完好隧道内的清淤排水和隧道修复工作,在隧道损坏段和完好段分界处进行垂直冻结形成冻土帷幕,并布置温度监测系统进行实时监测,通过监测数据计算和分析冻土帷幕各种参数指导隧道修复工作的进行,并同时考察隧道修复工作对冻土帷幕温度的影响.计算分析表明,该冻结系统运转稳定,监测系统布置合理,冻土帷幕强度达到了设计与施工的要求.受管片切割和连续墙施工的影响冻土帷幕温度有一定升高,但是并没有高于设计冻土帷幕温度,这些工序结束后冻土温度继续下降.     

冻土钻削与冲击的研究

根据冻土的性质,进行了冻土层的钻削过程和冲击过程的理论分析,讨论了钎具的排粉问题,结合实践,提出了对于不同的冻土,采用不同的钻眼设备,可提高钻凿冻土的速度.     

现浇混凝土-冻土接触面传热特性影响因素研究

现浇混凝土-冻土接触面传热特性直接影响灌注桩表面冻结强度,研究现浇混凝土-冻土接触面传热特性影响因素对冻土区桩基础设计和施工具有重要意义。基于小型模型桩试验条件建立数值模型,开展混凝土浇筑过程中混凝土-冻土接触面传热特性研究,分析了混凝土浇筑温度、水胶比、冻土温度、冻土含水量引起的接触面热流和温度变化。结果表明:浇筑温度由5℃升高至30℃,0.5 h混凝土与冻土接触面热流增大381.2%.水胶比由0.4增大至0.6,0.5 h接触面热流减少23.7%.接触面温度随冻土含水量的增大呈先增大后减小趋势,峰值在冻土液限附近。导热系数和相变热作用的转变起到了决定作用。冻土温度在-1~-3℃之间降低时,接触面温度随冻土温度降低而升高。浇筑后0~1 h(尤其是0~0.5 h)是混凝土对冻土释放热量的主要时间。     

青藏铁路运营期间冻土路基裂缝问题研究

运营期青藏铁路冻土区路基工程最值得关注的变化是不同部位裂缝的发生和发展以及对线路安全运行的影响.通过对不同时期青藏铁路多年冻土区路基工程裂缝发生发展影响因素的分析,认为冻土区路基工程基底地温场的不对称以及基底土体冻融过程不同步是路基工程变形裂缝发生的主要原因,路基坡脚和周围冻土水热环境变化是裂缝发展的拉动力,路基填料性质也是不容忽略的因素;根据运营期间冻土路基热状态和工程状态分析,对运营期青藏铁路冻土路基工程状态进行了初步评价,并提出了减少或消除地温场的不对称及保护路基坡脚冻土环境,从而抑制冻土路基裂缝的工程对策.     

含损伤的冻土动态本构模型研究

为研究冻土动态本构关系,基于损伤理论研究冻土的变形过程,用唯象模型将冻土看成黏性体和损伤体的并联组合体,并且利用强度理论以及复合材料等效夹杂原理获得冻土在冲击载荷作用下的动态本构模型及其参数的确定方法. 利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对冻土进行冲击加载实验,获得冻土在不同应变率冲击载荷作用下的应力-应变曲线,实验结果表明冻土具有明显的应变率相关性. 对比实验曲线和理论曲线可以看出模型计算与实验结果吻合良好,说明了建立模型的方法是可行的,且该模型能够很好地反映冻土动态加载过程的主要特征.     

青藏±500 kV输电工程典型冻土地段稳定性模糊综合评价

针对冻土环境、自然环境和气候系统的复杂性和不确定性,用模糊数学方法从冻土环境、自然环境及区域气候条件3个方面,分2个层次10个因素建立了青藏±500 kV直流联网工程(以下简称输电线路)冻土杆塔基础(以下简称塔基)稳定性评价的模糊综合评判模型,并通过资料确定了各因素等级标准和权重.以输电线路多年冻土区的的6个主要冻土典型地段为例进行了冻土塔基稳性综合评价.结果表明:唐古拉山等山区的塔基稳定性好,布曲河等断陷谷地次之,北麓河等陷盆地最差.     

基于细观力学方法的冻土本构模型研究

从复合材料的细观力学机理出发研究冻土的材料特性,用混合律方法得到了冻土材料的等效弹性常数,并利用这些弹性常数建立了含损伤的冻土弹性本构模型.对于在不同冰体积含量和不同温度下的冻结砂土,由该损伤本构模型计算的结果与实测的应力-应变曲线比较吻合,表明该模型能够较好地描述实际冻土材料的力学特性.     

正融土强度弱化特性研究的试验仪器及方法

冻土,特别是含冰透镜体的冻土解冻时,出现强度大幅度下降的弱化现象,这是季节冻土区内路基春季翻浆冒泥、地基失稳的重要原因.为探明路基土融化过程中的强度弱化机理,在此基础上制定有效的冻害预防措施,对国产土工静力三轴仪进行了一系列改造,并配以专用的冻土试样制备设备、冻土试样融化加热设备和外部保温设施,共同制成冻土解冻时的强度弱化试验仪.用该仪器进行了相关试验研究,结果表明,仪器得到的数据合理有效,该仪器设备可以在冻土学研究中推广应用.     

耦合效应下联络通道解冻规律研究

结合上海长江隧道一号联络通道工程,在温度应力耦合控制方程的基础上,分别考虑自然解冻和人工强制解冻条件下对流散热、混凝土初衬、二衬水化热等影响因素,分析了土体内部温度场、冻土厚度的发展变化以及由于冻土的解冻产生的融沉效应.通过分析发现自然解冻条件下经过大约44 d冻土完全融化,衬砌混凝土的水化热对冻土的解冻影响较大;不考虑混凝土水化热的作用,至50 d冻土仅能解冻23%;由于冻土的融沉效应,联络通道区域整体沉降,通道中心竖向位移为-2 cm;采用强制解冻冻土解冻较快,仅需4.3d就可完全解冻,与冻结过程相反,双排管之间最先解冻,然后是内侧冻土,最后是外侧冻土.     

季节性冻土区黏土冻结深度预测

合理确定冻结深度是季节性冻土区防冻设计的关键,为研究季节性冻土区黏土的冻结深度,统计了中国部分季节性冻土地区气温,获得了这些地区的气温特征,以此确定了室内试验的温度边界条件,开展了10％、20％、30％3种不同质量含水量的单向冻融循环试验.研究结果表明,10％、20％、30％3个试样的最大冻结深度分别为28、15、12cm;鲁基扬诺夫公式预测值较Stephan公式、《建筑地基基础设计规范》公式、《冻土地区建筑地基基础设计规范》与《冻土工程地质勘察规范》公式的预测值更准确;利用未冻水体积含水率修正了《冻土地区建筑地基基础设计规范》的冻结深度计算值,其误差在6％之内,因而建议在季节性冻土区的黏土地区用该修正公式计算设计冻结深度.     

冻土区土壤中的“微观世界”

冻土是一种长期处于低温环境并对气候变化十分敏感的特殊土壤.由于低温限制了土壤微生物对有机质的分解,导致冻土中储存着大量有机碳.最新研究结果显示,冻土区土壤碳储量高达1.3万亿吨,约占全球土壤碳库的一半以上.然而,这一重要碳库目前却受到了气候变暖的严重威胁.特别是在“极地放大效应”的作用下,冻土分布区的增温速率达0.6℃...