大气作用下非饱和土湿热性状的计算模型与分析

采用湿热耦合非等温流方程，结合实际蒸发和植物蒸腾的边界条件，考虑了水分迁移所引发的非饱和土应力变形行为，建立了大气一非饱和土相互作用的模型。采用该模型，可分析土体的湿热性状，计算由于水分变化所引起的土体变形，工程适用性较强。     

基于有限元法的三相同壳结构GIS母线热分析

气体绝缘开关设备(Gas-Insulated Switchgear,GIS)母线的载流能力与其运行温升密切相关.基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)原理对三相同壳结构GIS母线温度场进行分析.建立了母线涡流场、流体场以及温度场有限元耦合分析模型,并给出了模型边界条件.将涡流场计算结果作为流体-温度场计算的热源,为了提高计算的准确性,在进行温度场分析时考虑了流体物性参数随温度变化的关系,利用无量纲参数计算母线表面对流换热系数,最终得出母线流体场与温度场分布.通过计算结果与实验值的对比表明了模型的有效性.利用该模型分析了环境温度变化对GIS母线温度的影响,为GIS母线温度在线监测提供了理论依据.     

土石坝加固前后应力变形特性分析

以某水库土石坝除险加固工程为实例,综合考虑了大坝渗流场和应力场的耦合效应以及混凝土防渗心墙与土体之间的接触效应,建立了土石坝防渗心墙除险加固前、后的弹塑性有限元模型,对土石坝加固前以及心墙加固后的应力、变形进行了计算,并进行了加固前后土石坝的应力变形对比分析以及加固后防渗心墙的应力变形特征分析,计算结果可为工程除险加固后的大坝安全监测与管理提供重要参考。     

基于COMSOL Multiphysics的渗流有限元分析

复杂渗流场的自由面求解、饱和-非饱和渗流场分析以及考虑渗流作用的多场耦合分析等问题是目前水利水电工程计算中的难点和热点.由于这些问题具有较强的非线性,数值模拟难度较大.对COMSOL Multiphysics软件进行了初步的开发和应用,基于Darcy方程、Richards方程等基本微分方程,或者建立自定义偏微分方程模型,进行了渗流分析的数值模拟.对自由面求解问题采用了一种新思路,研究了非饱和渗流计算参数的处理技术,探讨了多物理场耦合分析方法,并通过若干算例,验证了技术路线的合理性和可行性.借助COMSOL对重力坝断面二维渗流场及复杂岩基三维渗流场进行了数值分析,计算成果合理.实现了渗流场与应力场、温度场三场(THM)的全耦合分析,为进一步探索温度-渗流-应力-化学(THMC)全耦合模型的计算奠定了基础.     

基坑降水与周围地面沉降的耦合分析

首先讲述了基坑降水对周围环境影响的研究意义.在此基础上根据土体平衡微分方程、质量守恒定律、有效应力原理以及达西定律 [1-4]建立了渗流场与位移场的耦合数学模型.利用有限差分软件FLAC [5]对基坑降水环境效应的耦合性状进行分析.将有限差分耦合模型应用于秦皇岛市东港路改造工程基坑降水工程,最后将计算结果和现场实测数据进行对比,验证了渗流耦合模型在工程应用中的合理性和正确性,具有一定的理论意义和实用价值.     

路基温度场、湿度场耦合作用计算模型

根据傅里叶定律和达西水分传导定律导出潮湿路基温度场与湿度场耦合作用的一维计算模型,将冻土区与未冻土区统一起来,利用显热容法处理冻土复杂的相变问题.该法可用于公路路基温度场和湿度场的预测及路基路面工程结构防冻设计之中.     

潮湿路基温度场、湿度场耦合作用计算模型

在路基路面冻害调查资料和一些试验数据分析结果的基础上,利用建立在连续介质混合物理论基础上的饱和／非饱和正冻土的水热延移热力学模型,进行了路基路面结构体系的温度场,湿度场,应力场的耦合分析以及设计参数研究,根据傅里叶定律和达西水分传导定律导出了路基路面结构体系温度与湿度场耦合作用的一维计算模型,将冻土区与未冻土区统一起来,利用显热容法处理了冻土复杂的相变问题,本文的研究具有基础理论应用性研究的特点,并具有较高的工程应用价值。     

基于参数反演与耦合作用的高堆石坝垫层对坝体渗流影响仿真

通过研究混凝土垫层对高堆石坝渗流场的影响,旨在通过仿真模拟过程提出一种切实可行的分析方法,较准确地计算运行期坝体渗流量.结合糯扎渡心墙堆石坝工程实例,运用改进后的粒群算法对垫层混凝土热学参数进行反演并计算垫层温度场,模拟垫层上部土石料填筑过程,并考虑蓄水后水压力对垫层作用确定运行期垫层应力状态.参考垫层应力计算结果及实测资料预测垫层可能产生裂缝区域,利用立方定律研究垫层渗透系数变化对坝体渗流的影响;选取大坝典型剖面,以修改后的邓肯-张模型为基础并运用土体渗流耦合原理重新计算坝体渗流场及应力场.数值仿真计算结果表明:正确认识运行期垫层应力状态及渗透性质变化对准确模拟计算坝体渗流场具有较大意义.     

干式空心并联电抗器过热性故障温度场耦合计算与分析

干式空心并联电抗器出现过热性故障影响设备的正常使用寿命,为计算分析干式空心并联电抗器过热性故障温度场分布,基于多场耦合有限元理论,建立了干式空心并联电抗器流体-温度场耦合计算模型,得出干式空心并联电抗器正常运行时的温度场分布,并与现场运行实测的温度作对比,验证了计算模型的准确性.利用验证的流体-温度场耦合计算模型,计算了干式空心并联电抗器出现不同程度过热性故障下的温度场分布,分析了包封轴向、故障位置径向和顶部径向温度变化规律.分析结果表明,通过监测电抗器顶部温度变化,可以有效反映干式空心并联电抗器运行中的过热性故障.     

路基温度场、湿度场耦合作用计算模型

根据傅里叶定律和达西水分传导定律导出潮湿路基温度场与湿度场耦合作用的一维计算模型，将冻土区与未冻土区统一起来，利用显热容法处理冻土复杂的相变问题．该法可用于公路路基温度场和湿度场的预测及路基路面工程结构防冻设计之中．     

长春市道路冻胀耦合模型研究

在季节性冻土地区,道路随季节交替发生冻融循环变化.本文讨论了土质、温度、含水量、荷载对冻胀的影响,将水、热、力进行综合分析,建立了长春市道路的冻胀耦合模型,研究了冬季冻结过程的温度、湿度及应变的变化规律:(1)路基土体内的水分向冻结锋面的迁移,使冻结区含水量增加,在冻结稳定后,在冻结锋面附近形成一个含水量峰值约60%;(2)路基内的温度由开始的不均衡状态逐渐向线性分布发展;(3)因冻胀其体积应变随着冻结深度的增加而减小,在冻结锋面上体积应变也达到了极值.     

生态型护岸结构冻胀适应性的试验示范研究

通过对3种生态型护岸结构冻胀融沉变形的观测,分析了格宾网垫护坡和铰链式护坡结构冻胀量的发展变化过程及残余变形的分布情况。根据观测结果分析,得出以下结论：格宾网垫护坡和铰链式护坡结构是柔性护坡结构,整体性好,具有自愈的功能,能够很好的适应冻胀变形;冻胀量的变化与现场试验段土体含水率的分布情况关系密切,本次观测最大冻胀量均发生在渠坡1/2处。     

气候变暖下黄河源区冻土变化的数值模拟

近40年来,黄河源区地温长期处于增温状态,多年冻土出现表层融化。冻土退化后,土壤含水率减少,导致寒区径流的变化。所以研究冻土为寒区水资源估算提供了重要的依据。利用土壤水分迁移方程和热传导方程,采用中心差分格式并在一定假设前提下建立起冻土水热耦合迁移数学模型。对黄河源区站点的冻融深度进行模拟,结果表明：计算值和近2 a冻土的上、下限实测值吻合较好。由此表明采用的数学模型和数值方法是合理、可信的,在此基础上讨论了土壤冻融过程的一般规律。     

冻结法凿井冻结温度场的数值反演与模拟

考虑了冻结孔的实际偏斜状况，提出了基于平面有限元模型的冻结温度场数值反演及模拟方法．介绍了模型的基本特征、计算参数及数值反演、模拟的基本步骤．由于能够模拟冻结孔的实际分布状况及冻结管外表面的温度下降过程，并且以土性参数的反演为前提，因而该模型能够以较高的精度模拟冻结温度场的发展过程．通过某冻结温度场的数值模拟实例验证了该方法的可行性，并对影响数值模拟结果的主要因素进行了分析．     

An improvement to the simulation of phase-change heat-transfer during soil freezing and thawing

A new variable time step method, which is called the backwards calculating time step method, is presented in this paper. It allows numerical simulation of soil freezing and thawing while avoiding "phase change missing and overflowing". A sensitive heat capacity model is introduced through which the calculation errors are analyzed. Then the equation using the self-adjusted time step is presented and solved using finite differences. Through this equation, the time needed for a space cell to reach the phase change point temperature is calculated. Using this time allows the time step to be adjusted so that errors caused by "phase change missing and overflowing" are successfully eliminated. Above all, the obvious features of this method are an accelerated rate for adjusting the time step and simplifing the computations. An actual example proves that this method can accurately calculate the temperature fields during soil freezing and thawing. It is an improvement over traditional methods and can be widely used on com- plicated multi-dimensional phase change problems.     

重塑粘质黄土冻胀敏感性试验分析

以沈哈高速铁路沿线具有代表性的粘质黄土为研究对象,在室内冻胀试验条件下,研究了非饱和含水量、冷端温度、冻结速率、补水条件以及冻融循环对土体冻胀特性的影响。试验表明,在封闭系统下,非饱和土体冻胀系数随含水量增大而增大,且最终趋于一个稳定数值;封闭系统下,随着冷端温度的降低,含水量较大土样的冻胀系数逐渐减小,含水量较小土样的冻胀系数逐渐增大;开放系统下,土样冻胀系数随冻结速率的减小逐渐增大,且增幅越来越大;外界补水条件下,土体冻胀量增加显著,但随含水量的增大,其影响逐渐减弱;干密度较小土样的冻胀总变形随冻融循环次数的增加呈指数递减的趋势,干密度较大土样则呈指数增加的趋势。     

人工冻结过程中温度场的试验研究

为了研究人工冻结过程中温度场的变化规律，利用自行研制的人工冻结冻胀融沉模型试验装置，对徐州地区常见的粘土进行了12次大规模的冻融试验，分别模拟了封闭系统和开敞系统下人工冻土中温度场的变化情况，并与现场实测数据进行了分析比较，提出了在冻土体和受冻结影响的土体中的温度与距离分别近似成线性，已冻土体中的温度梯度比未受冻结影响土体中的大等几点结论．     

间歇冻结控制人工冻土冻胀的试验研究

土体冻胀容易引起地表产生不均匀变形，因此控制冻胀的产生和发展始终是人工冻结技术的重要课题．通过试验比较了人工冻土在连续冻结模式、控制时间的间歇冻结模式和控制深度的间歇冻结模式下，土体冻胀的发展变化规律及冻胀控制与冻结模式之间的关系．结果表明：与连续冻结和控制时间的试验相比，在冻结锋面趋于稳定和温度梯度趋于恒定前，采用控制冻深的间歇冻结模式能够有效地抑制人工冻土冻胀的发展，冻胀量仅为连续冻结模式的19．8％；不同的变温起始时间对冻土冻胀控制的效果不同，在冻结过程刚刚进入拟稳定阶段时，迅速改变冷端温度，将使土样内的温度场不能达到稳定状态，从而推迟起始冻胀的时间，抑制冻胀的产生．     

Combination effect of seasonal freezing and artificial freezing on frost heave of silty clay

To investigate the frost-heave properties of silty clay under the combination action of seasonal freezing and artificial freezing, and verify the feasibility of combined freezing, eight combined freezing experiments were performed on silty clay with water content (mass fraction) of 23.5% and 28.0%, through developed frost-heave test apparatus, in closed or open system. Two sorts of freezing temperature models, namely, constant and sine models, were applied to artificial freezing. The experimental results indicate that the frost-heave degree in seasonal freezing stage accounts for over 90% of the total in open system and it is up to 95% in closed system; the change of artificial sine-freezing temperature has no influence on the frost-heave degree in closed system, however, slight influence in open system. It is found that the variation of temperature gradient of sine-freezing specimen lags behind that of sine-freezing temperature with half phase; sine-freezing temperature model can reduce frost-heave degree of soil. Brand new technology is proposed for the application of artificial ground freezing and new study field of artificial freezing is created.     

冻融循环作用下砂质黄土强度劣化特性及影响因素研究

为揭示砂质黄土在冻融循环作用下的强度特性，以榆林子洲某地砂黄土为研究对象，对其进行不同初始条件的冻融循环试验，并测定土体冻融后的三轴剪切强度。结果表明：砂黄土冻融后表面出现明显的结构破坏现象；土体粘聚力随着冻融循环次数增加先减小然后有所回升，土体冻融后的粘聚力随初始含水率的增加而减小，冻结温度对不同含水率土体粘聚力的影响不同；土体内摩擦角在冻融循环作用下有所减小，总体下降量不大；土体强度下降主要受粘聚力劣化影响；高含水率极端低温冻结及低含水率较高温冻结均加速了冻融循环作用对土体强度的破坏。