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。     

季节性冰冻地区路基内温度场、湿度场耦合计算

根据傅里叶定律和水分传导定律导出了路面结构体系温度场和湿度场耦合作用的二维计算模型，采用有限差分法进行求解。通过计算结果和试验结果的对比，证明计算模型是可行的，可应用于道路冻深和横向不均匀冻胀的确定。     

季节性冻土路基变形监测及其稳定性分析

季节性冻土地基具有冬季冻胀、春季融沉的特性,在其上修筑的路基通常产生沉降和滑移变形,最终导致路基失稳。基于上述原因,通过介绍季节性冻土路基冻胀和融沉产生的机理,以及季节性冻土路基变形监测的原则和内容,并结合墨脱公路的监测结果对季节性冻土路基的稳定性进行分析评价。该研究对季节性冻土路基的设计、施工及稳定加固具有重要的指导意义。     

基于反演参数的多年冻土路基长期温度场预测

利用青藏铁路清水河试验段路基3 a的现场温度场及沉降监测数据,采用模拟退火算法改进的BP神经网络算法反演了冻土路基的热力学参数,并在反演参数的基础上应用有限元法模拟预测了冻土路基在不同保温处理方案下的长期温度场变化情况.结果表明:保温材料路基阴阳坡地的温度场差异小于素填土路基,多年冻土季节性活动层厚度也远低于素填土路基;保温材料路基施工后3 a内仍将发生冻融变形,形成路基病害,但破坏程度低于素填土路基;50 a后,保温材料路基将与青藏高原气候环境达到新的热平衡状态,施工对多年冻土造成的破坏可得到修复,路基稳定性良好,但素填土路基仍存在较厚的季节性活动层,这将会使路基发生严重的变形破坏;保温处理方案可较为有效地减少冻土路基的不均匀沉降.     

冻融条件下路基温度场和湿度场分布式感知试验

搭建土体冻融多物理场感知室内试验装置,布设传统点式传感器和分布式光纤,对土体冻融过程中路基温度场、湿度场和变形情况开展试验监测,探究单端冻结、双端融化条件下土体温度场和湿度场的分布式感知特征,验证主动加热分布式光纤技术的监测效果。试验结果表明,-15 ℃单端冻结条件下,土体冻结过程按降温速率分为快速冷却、逐步降温、稳定平衡三阶段,冻结锋面逐渐下移,最大冻深约占土柱高度的35%。孔隙水受冻胀迁移力影响向冻结锋面移动,引起冻融前后土体湿度场重分布,并导致土体冻胀变形,变形量为土体最大冻深的7.8%~10.9%。分布式光纤可准确得到冻融过程中土体温度场、湿度场变化特征,识别土体内冻结区域范围,温度、湿度监测拟合优度R²分别达0.98和0.94。     

路基初始含水率对多年冻土路基水热特征及冻胀变形的影响研究

多年冻土路基水热特征与冻胀变形变化规律的研究对于寒区道路冻害成因分析、道路工程设计及冻害治理等方面具有重要意义。本文以青藏公路某典型冻害地段为研究对象,应用含相变冻土路基的水热耦合与冻胀变形理论模型,对周期边界条件下路基初始含水率对多年冻土路基水热特征及冻胀变形的影响规律进行了计算分析。结果表明：在季节性气候变化的条件下,随着路基初始含水量的增加,路基和坡脚位置的多年冻土上界面逐渐上升,路基边界处的冰含量逐渐增加。当路基初始含水率由12%增加到36%时,4月份的路基中心和路肩处冻胀变形量依次增加了17.4mm和20.6mm。此外,路基内初始含水率的变化对路基各边界表面位置冻胀变形的影响程度由大到小依次为路基路肩、路基中心、路基坡脚和天然地表。     

金属大变形过程中温度场的Abaqus模拟

基于Abaqus有限元仿真软件,在考虑到变形热、摩擦热和接触热等因素的情况下,建立了轧件内部温度场的数学模型和轧件空冷及水冷的数学模型,并利用实验获得的金属高温物性参数,对金属的大变形过程进行了有限元建模和仿真,模拟了金属变形过程中纵剖面的温度场分布及变化规律。模拟结果表明,在金属大变形过程中,金属表面的温度变化较大,且是非线性下降的,而金属内部温度变化较小,同时温度与变形量之间相互影响;在热变形过程中,不能忽视金属与环境温度的热交换,这在一定程度上影响着金属表面的温度分布情况;金属与外界发生热交换,交换的热量与外界温度和换热系数有关;金属的变形热对温度场的分布有明显的影响。     

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.     

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。     

青藏铁路多年冻土区路基温度场的模拟与预测

在多年冻土区修建铁路站场路基,打破了原来天然地表与外界的热力平衡,地下温度场将重新分布.根据此特征可推断多年冻土的发展演化趋势以及评定路基的稳定状况.结合青藏铁路某段站场路基实际监测数据,利用ANSYS软件对2002年～2030年地下温度场进行有限元数值模拟.模拟计算结果表明:路基下冻土上限发生上移,多年冻土得到了保护;在年平均气温增长0.02 ℃的条件下,试验段内冻土人为上限和未受路基影响的冻土天然上限均逐年下降;同时,路基阳坡、阴坡两侧地下温度场分布特征的差异构成了路基不均匀变形和路面裂缝的潜在威胁.     

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。     

寒区公路路基温度场的自动监测与特性

针对寒区公路路基温度场的观测存在外部环境复杂、自动与连续观测难以实现等困难,采用DS18B20温度传感器、STC89C58单片机、DS12C887时钟和AT24C256外部扩展数据存储器组成观测系统,外接锂电池供电,对路基温度场实现了自动采集、储存和无间断观测。结果表明:在冻融循环期内,最大冻深在路基顶面下2.3 m,比天然地基深0.85 m,说明路基填筑改变了原天然地基温度场的状态;与气温变化时间相比,路基冻深变化在次年3月份达到最大,存在50 d左右的滞后期;在路基冻融过程中呈现不均匀现象,融化期内,路基内部存在马鞍形未化冻土区域,并在融化末期产生未化冻土核;其观测结果可作为寒区公路路基病害的分析依据。     

非均匀温度场中厚壁圆筒变形研究

厚壁圆筒工作时多处于非均匀温度场中，厚壁圆筒在非均匀温度场中的热变形理论要考虑热应力产生的形变对其变形量的影响。用热弹性力学的方法推导了由于热应力和自然膨胀所产生的厚壁圆筒在非均匀温度场中的热变形公式，实验结果证实了公式的可用性。     

季节性冰冻地区公路路基冻胀融沉过程规律研究

为准确掌握路基结构温度场的分布特点和冻胀融沉过程的变化规律,以季节性冰冻地区典型道路结构路基温度场和变形量的跟踪观测数据为基础,开展了季节性冰冻地区路基温度场分布与冻胀融沉变形量,以及冻结深度三者的规律研究。研究显示:路基温度场分布特性以年为周期呈余弦规律变化,不同深度路基温度变化存在滞后性;根据路基冻结深度变化规律,可将冻结过程划分为四个阶段。在此基础上,基于观测数据,冻胀量和冻结深度分别与地表负积温呈显著正相关,可通过监测冻结深度的变化得到冻胀变形量,降低监测成本及实测难度。     

特殊气候条件对多年冻土地区路基的影响

为了揭示多年冻土地区路基病害发生的根源，基于青藏高原五道梁、沱沱河和安多等地的气象资料，研究了特殊气候条件对青藏公路路基的影响。从青藏高原年平均气温变化曲线及年降水变化曲线入手，考虑路基周期冻结和融化过程中水分迁移及相变作用，结合SWS-3型连续面波仪的路基强度测试结果，分析了青藏公路纵向裂缝、波浪扭曲变形和不均匀沉陷等典型病害的发生机理。研究发现：青藏高原的低温特征使得路基常年处于冻结和融化的交替状态；雨季集中、固态降水特征致使路侧积水严重；在特殊的气候夺件下路基土体的动弹性模量由最初的均匀分布逐渐过渡到不均匀状态；路基两侧的积水及土体的冻融疏松是造成路基强度不均匀分布、产生病害的直接原因。     

液氮冻结温度场均匀性实验

针对液氮冻结过程中存在温度场分布不均匀的现象,采取在供液铜管上分段打孔及改变打孔方式和位置的方法,设计了四种供液管改进方案,并对这四种方案进行了模拟实验,分别分析其冻结温度场的均匀性和冻土发展速度,同时将改进方案与传统供液方式进行对比.结果表明,改进方案优于传统方案;四种方案中尤以方案三的效果最好,其管壁温度分布最均匀,冻土发展均衡且发展速度较快,液氮消耗量较少.这一研究结果为进一步解决液氮冻结均匀性问题提供了新思路.     

无网格法在沥青路面瞬态温度场分析中的应用

为了提高沥青路面温度场的计算精度,采用一种新方法——无网格法对其进行计算分析。根据传热学理论,基于变分原理推出了沥青路面瞬态温度场的无网格法计算公式,采用罚函数法处理本质边界条件。针对工程实例,编制无网格法程序,建立了数值计算模型并进行模拟分析。结果表明:无网格法计算结果与现场实测数据最大误差不超过2.6%,且小于有限元方法最大误差的3.5%。     

液氮冻结温度场均匀性实验液氮冻结温度场均匀性实验

针对液氮冻结过程中存在温度场分布不均匀的现象,采取在供液铜管上分段打孔及改变打孔方式和位置的方法,设计了四种供液管改进方案,并对这四种方案进行了模拟实验,分别分析其冻结温度场的均匀性和冻土发展速度,同时将改进方案与传统供液方式进行对比。结果表明,改进方案优于传统方案;四种方案中尤以方案三的效果最好,其管壁温度分布最均匀,冻土发展均衡且发展速度较快,液氮消耗量较少。这一研究结果为进一步解决液氮冻结均匀性问题提供了新思路。