光伏直驱压缩式制冷装置对多年冻土路基热稳定性的影响

针对工程扰动引起的多年冻土退化与路基热稳定性问题,基于光伏发电技术与制冷技术,开发一种用于防治多年冻土退化的光伏直驱压缩式制冷装置,并开展现场应用测试与数值模拟研究。研究结果表明：新装置能够适应多年冻土地区的严寒环境,实现自动化运行,且装置运行期间,制冷管管壁热流密度随太阳总辐射量的增大而增大,平均热流密度为-4.1～-6.3 W/m2。与普通路基相比,制冷路基的热学稳定性得到显著提升,其中,冻土人为上限随着制冷管长度与管壁热流密度的增大而提高,随着制冷管埋置深度的增大先提高后降低,而冻土升温速率则随着制冷管长度、埋深与管壁热流密度的增大而降低。基于灰色关联理论分析可知,制冷功率对人为上限影响最显著,制冷管长度的影响次之,埋置深度的影响最小;而冻土升温速率对制冷管埋置深度最敏感,制冷功率次之,制冷管长度最小,建议设计施工时优先选择更为显著的因素加以调控。     

冻土上限下移对桥梁桩基竖向承载力的影响分析

在全球气候变暖大气升温,以及人为因素的影响下,多年冻土地区的工程基础受冻土上限的变化影响,其竖向承载能力会发生一定程度的改变。本文针对青藏铁路桥梁桩基竖向承载性能问题．进行数值模拟研究和理论解分析。通过在冻土上限变化条件下铁路桥梁桩基的内力和变位分析的对比．获得冻土上限变化对桥梁桩基竖向承载力的受力效果分析。     

水化热对冻土地区桩基热影响分析

针对冻土区灌注桩基础施工会给冻土引进一定的热量,破坏冻土的稳定冻结状态问题,研究水化热对桩基沿径向温度变化规律及影响桩周冻土温度场的时间。基于桩和冻土的三维非稳态温度场控制方程,并考虑边界条件和冻融相变过程,建立了桩基非稳态温度场控制方程。对桩周温度场的热影响分析表明,浇筑混凝土后水化热在第5 d达到最大,水化热对桩长范围内桩侧土体径向温度变化的影响程度大于桩底面以下土体径向受水化热影响程度,水化热对桩周围土体有较大的影响而且时间长。得出的一些结论可为冻土区桩基设计施工提供参考。     

浅埋暗挖隧道管幕冻结法温度场数值模拟

随着城市隧道和地下工程建设环境的日趋复杂,为了不影响城市地面交通正常运行秩序,地下隧道多采用暗挖工法。以港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段为工程背景,根据现场冻结实测数据,通过有限元软件对积极冻结期隧道全断面进行冻结壁温度场数值模拟。结果表明:数值模拟温度变化结果与实测温度数据基本一致,冻结壁在50d时形成交圈,冻结90d时冻土帷幕平均厚度达到2.32m,交圈前20d积极冻结期,冻结管之间土体温度变化速率为-0.58℃/d,交圈后维护冻结期,该点温度变化速率为-0.22℃/d,说明冻结壁交圈前土体变化速率更快,研究结果可为类似的采用管幕冻结法施工隧道提供了参考依据。     

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.     

气候温升背景下青藏工程走廊带多年冻土热融蚀敏感性分布预测研究

为揭示气候温升背景下青藏工程走廊带多年冻土热融蚀敏感性分布规律,基于现有地温分布、活动层厚度的野外监测数据建立了二者与热融蚀敏感性之间的多元回归模型,并采用开放系统地气耦合模型对2016年以后气候温升模式下多年冻土年平均地温和活动层厚度变化进行数值研究,进而获得未来20 a和50 a青藏工程走廊带多年冻土热融蚀敏感性分布预测图.研究结果表明,走廊带内冻土年平均地温越低,受气候温升的影响越大,而活动层厚度则随地温和气温的升高而增大,年平均气温-5.5℃工况下,其年平均地温和活动层厚度增幅分别为0.015 4℃/a和0.86 cm/a;融区和高温冻土区主要分布在走廊带沿线的河流、谷地和盆地等区域,且随着气温的逐年增加,预计2066年低温冻土区域比例将减少52.1%,高温冻土区域和融区面积比例总计将增加74.7%;走廊带内多年冻土的热融蚀敏感性将大幅增加,且极敏感型冻土的增加比例将随时间而加速增长,到那时极敏感型冻土比例将增长1倍以上,敏感型和极敏感型冻土将占整个走廊带内多年冻土区的78%以上.     

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。     

隧道开挖对临近不同相对刚度比桩基影响研究

为了系统研究桩土的相对刚柔性对隧道开挖引起的邻近桩基附加位移和附加内力的影响规律,本文采用三维数值分析方法,通过变换桩基弹性模量、半径和桩长而获得不同桩土相对刚度比,对比分析了隧道开挖时不同桩土刚度比的桩基附加位移和内力的变化规律。结果表明:在桩长一定的情况下,桩土刚度比越大,隧道开挖对桩基产生的附加内力越大,附加位移越小,尤其是桩基的竖向附加沉降量随桩土刚度比的减小而急剧增大;在弹性模量和桩径一定的情况下,桩土刚度比越大,桩基产生的附加内力越小,位移越大。因此,隧道开挖时需对不同刚柔性桩基加以区别保护,研究成果可为隧道施工和设计提供参考。     

利用热管-保温材料复合结构提高冻土区路基稳定性研究

热管-保温材料复合路基是青藏铁路中应用广泛的一种新型路基结构形式.通过数学模型分析,推导出应用于青藏铁路冻土路基中的热管的热流表达式,并用热焓法考虑冻土相变问题,对该路基结构形式及在无保温材料情况下施工20 a后的路基温度场进行数值模拟.数值模拟表明:保温材料能够有效地阻止热量从路基面向下传入地基中,使0℃等温线始终在保温板底层;该路基结构形式为青藏铁路多年冻土区路基的理想结构形式,有利于克服全球变暖的影响.     

制冷工况相变能源桩热交换规律

相变材料是一种通过改变材料物态来吸收或放出潜热的物质。将其用于能源地下结构中可以增加结构体的能量密度、提高换热量,从而减小热交换所需的地下空间资源。该文搭建了缩尺模型实验系统,其中模型圆桩为相变储能混凝土能源桩,桩直径0.2 m,桩长1.5 m,将桩埋入装有饱和砂土的尺寸为2.45 m×2.45 m×2 m的模型箱中。实验中控制换热流体温度恒定为5.5℃,分别进行了0.15、 0.30和0.45 m~3/h 3组不同流量的制冷工况,每种工况包括"制冷-回温"3次循环。研究了饱和砂土中相变能源桩的温度热响应和换热量,分析了桩与周围土体的温度随时间变化规律;比较了换热流体流量对能源桩换热量的影响。研究结果表明:制冷工况下,相变能源桩在饱和砂土中的热传递主要沿径向,在热交换过程中对于桩周土体的温度影响范围约为2倍桩径。换热流体流量增大,进出口温差减小,而热量增大。     

不同热端温度对低温热电制冷试验箱制冷性能的影响

为优化低温热电制冷试验箱的制冷效率及降低其冷热端温差,理论计算了热电制冷片热端温度为56.18℃和27.31℃时电流、电压、冷热端温差对试验箱制冷性能的影响。建立了三维数学传热模型,模拟了3种热电制冷片布置方式对制冷箱温度分布的影响。结果表明：当热端温度由56.18℃降至27.31℃时,低温热电制冷试验箱的制冷量由150.2 W降至139.5 W,制冷系数由4.41降至3.09,冷凝温度由-22.30℃降至-41.90℃。可见,热电制冷片热端温度的降低能够获得更低的冷凝温度,较高的热端温度拥有较好的制冷性能。     

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.     

变温热源热管式热电制冷器结构设计和性能分析

基于有限时间热力学理论,设计了一种冷却空气的通道结构,建立了基于热管散热的变温热源热电制冷器有限时间热力学模型.通过数值模拟方法对装置冷、热端热阻进行了分析,得到了沿管道流动方向制冷模块冷、热端温度和冷空气温度的变化规律;以制冷率密度和制冷系数为性能指标,分析了输入电流、入口温度、空气流速等关键运行参数和模块填充系数、...     

广清高速改扩建工程桩基溶洞顶板稳定性研究

针对广清高速公路改扩建工程,选取两个典型桥梁桩基存在下伏溶洞工点,构建溶洞地质概化模型。采用理论分析和数值模拟方法研究桩基溶洞顶板的稳定性,以便为岩溶区桩基设计、施工提供依据。通过规范方法确定桩底作用在溶洞顶板上的荷载,通过成层地基和地应力计算方法计算上覆岩土层作用在顶板上的自重应力。对溶洞顶板分别进行抗冲切、抗剪切、抗弯验算,分别求出稳定系数和桩底竖向极限荷载。运用ANSYS数值模拟方法,对顶板位移、第一主应力和塑性应变进行分析,计算得出桩底竖向极限荷载。理论分析与数值模拟结果对比表明桩基溶洞顶板处于稳定状态,抗剪切、抗弯验算是桩基下溶洞顶板稳定性分析的主要验算指标。     

盾构出洞水平冻结加固杯型冻土壁温度场数值分析

利用冻土热传导理论建立数值模型,对南京地铁2号线逸仙桥站水平冻结加固杯型冻土壁温度场进行三维数值模拟,经与实测数据对比分析,验证了计算方法、计算模型的正确性。计算表明:逸仙桥站冻结40d后,冻土壁杯底厚度至少可达3.1m,杯体厚度最小为1.3m,而短管底部冻土发展厚度不均,中圈管底部厚度最大,中心管最小,为0.3m。利用经验证的模型和计算方法,可为预测洞门开凿时机提供参考依据。     

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。     

桩基施工对邻近既有地铁隧道影响的数值分析

采用数值分析方法,建立桩-隧相互作用的三维有限元模型,通过改变桩-隧相对位置、隧道埋深、水平净距、桩基半径和考虑群桩因素,研究静压桩基施工对软土地区既有地铁隧道的影响。研究结果表明:桩基侧面施工引起的隧道变形较大,且随着桩身与隧道水平净距增大,变形在传递过程中不断衰减;浅埋隧道受扰动影响较为敏感,产生变形较大;桩基半径增大也会加剧隧道结构的变形;桩基邻近既有地铁隧道施工的影响区可划分为强影响区、一般影响区和弱影响区;群桩中的已存在桩对挤土效应具有阻挡效应。     

能源桩全生命周期热响应半径简化计算方法

根据工程中群桩埋管换热器状况,采用叠加原理计算群桩埋管的桩壁温度,定义能源桩埋管换热器的热响应半径为周围其他桩引起的过余温度影响系数≤5%时相邻桩中心线之间的垂直距离;在大量计算分析的基础上,采用最小二乘法拟合出单工况荷载作用下能源桩埋管换热器热响应半径计算公式;考虑到实际能源桩工程系统运行时每延米换热功率是关于时间的函数,建立动态负荷作用下能源桩三维传热数值模型,分析不同荷载分布形式、峰值负荷、运行时间以及全生命周期对能源桩热响应半径的影响。研究结果表明:在单桩、单排桩、双排桩和多排桩布置状况下,本文拟合公式的热响应半径计算结果与无限长线热源模型解析解之间的最大相对误差分别为4.62%,4.45%,3.77%和3.32%,说明该方法具有较高的计算精度,符合工程要求;荷载分布形式以及峰值负荷仅影响桩周岩土体中过余温度及其梯度,桩周岩土体热扩散系数及运行时间影响温度传递范围;根据工程中最常见的多排桩布置方式,得到不同桩径和不同岩土体热扩散系数条件下能源桩热响应半径随时间的变化关系,可为工程应用提供参考。     

热管在青藏高原多年冻土区高速公路应用中的适用性评价

为了研究多年冻土区高速公路热管路基的制冷效果及适用范围,建立热管路基水热计算模型,分析不同条件下的热管路基冻土人为上限深度和热稳定状态,并将路基高度、年平均气温、气温年较差3个因素形成组合进行热管的适用范围分析。研究结果表明:对于气温年较差为12℃的冻土区,高度为4 m的热管路基适用于年平均气温低于-5.5℃的区域,高度为3m的热管路基适用于年平均气温低于-5.8℃的区域;对于青藏高原大部分地区,在15 a的运营期限内,高速公路热管路基具有一定的局限性,其服役期限内不能保持路基稳定性;但对于风火山地区,采用高度为3 m的热管路基可以保证工程稳定性。     

太阳能冷管晚间吸附制冷的数值模拟与实验

基于太阳能冷管运行机理和内部能量转换过程，建立了太阳能冷管晚间吸冷过程的数学模型．对模型求解得出吸附床径向中点温度、中芯管壁温度、蒸发器壁面温度和制冷剂蒸发速率随时间变化关系，并搭建了太阳能冷管运行的实验测量装置．在环境温度为36～28℃、冷管周围风速0．5m／s条件下，太阳能冷管可持续制冷13h，冷管蒸发器温度最低可达18℃，并与数值模拟结果进行了比较，两者吻合较好．