浅层黄土冬季温度场的变化规律研究

通过季节冻土区浅层黄土现场温度测试,研究了冬季浅层黄土温度场的变化规律.测试得出:较深处温度变化在冬季过后气温回升时有滞后性;地面温度日变化幅度最大,最大峰值温度出现在下午2时左右,且随着深度增加,出现峰值温度的时间逐渐向后推移;土体温度的日变化随深度的增加逐渐减小,超过30 cm可不考虑温度日变化;给出了非饱和黄土温度场的计算方法,总结阐述适用于渭北旱塬浅层土温度场计算参数的选取,比较了渭北旱塬彬县的计算结果和实测结果,验证了该数值计算方法及参数取值的合理性;进一步模拟渭北旱塬不同气温,讨论了最大冻深的变化规律,并拟合得到了渭北旱塬最大冻深与气温的关系式.     

单向冻结条件下扩底桩抗冻拔能力试验研究

采用单向冻结的方法,针对季节冻土区扩底桩的抗冻拔能力开展了室内试验研究。试验分别选取不同扩角（无扩角直桩、45o,60o 和70o）, 不同埋深（240mm,290mm和340mm）,及不同扩底直径（74mm,98mm和114mm）的扩底桩进行。实验结果表明,三组试验的最终冻结深度分别为19.51cm,14.36cm和14.80cm。不同扩角扩底桩的最终冻拔量基本相同,且仅为直桩的28.3%,扩底桩的最终冻拔量随着埋深的增大并非按照比例减小,但随扩底直径的增大基本按比例减小。桩的冻拔位移幅度随冻结深度的增大呈先增大后减小的趋势,且和土体的冻结速率呈负相关关系。直桩的冻拔速率随冻结深度先增大后迅速减小,而扩底桩的冻拔速率随冻深呈先增大后稳定减小的趋势。土体冻胀在桩的约束下呈漏斗形,扩底桩对桩侧土的约束冻胀明显强于直桩,间接说明了扩底桩的抗冻拔能力优于直桩。考虑冻结过程中土的冻结速率和桩的冻拔量变化规律,提出了桩的抗冻拔因子作为桩抗冻拔性能的评判标准,对不同影响因素下扩底桩的抗冻拔效果进行分析,结果表明扩角对桩的抗冻拔能力影响较小,增大桩的埋深和扩底直径可提高桩的抗冻拔能力。综合比较,影响扩底桩抗冻拔性能最主要的因素是扩底直径,其次为桩的埋深,影响最小的是桩的扩角大小。试验结果及分析可为季节冻土区扩底桩的抗冻拔设计及理论计算提供参考。     

北方地区基土标准冻深的预报

以我国季节冻土区关于标准冻深的统计资料为依据，用一元回归分析的方法建立季节冻土区黏性土标准冻深与冻结指数的相关关系的数学模型。经过计算机处理，选出最佳拟合曲线，预测其它地区的标准冻深，并与现行《渠系工程抗冻胀设计规范》中的标准冻深计算公式(1)作了对比，提高了预报精度，验证了模型的实用性。     

季冻区隧道防冻胀技术研究进展

本文主要针对季冻区隧道的冻胀机理、温度场、衬砌力学性能、防冻胀措施、保温材料的研究现状展开分析.分析结果表明:季冻区隧道主要应用三大冻胀模型研究围岩、衬砌的冻胀机理,但三大冻胀模型研究各有缺陷,亟待研究新型冻胀模型;季冻区隧道温度场主要考虑围岩稳态、瞬态条件下温度变化,对于低温相变围岩隧道温度场研究不够全面;季冻区隧道防冻胀技术发展较早且综合措施较多,但实际防冻胀效果欠佳,需研究更为成熟的防冻胀技术;冻融循环对于衬砌力学性能影响、新型保温材料开发是当前亟待解决的关键问题.     

季节冻土区长期交通荷载下公路路基永久变形特性

为研究季冻区公路路基在长期交通荷载作用下永久变形的累积规律,首先基于室内试验获取的路基融土永久应变经验公式,提出季节冻土区路基永久变形计算步骤;并通过建立的基层-路基-地基有限元模型,研究汽车轴型、后轴轴重、行车速度和路基融化厚度对正常期和春融期路基应力比和永久变形的影响.计算结果表明:正常期路基的应力比随着埋深的增加逐渐减小,融化路基应力比较正常期大,冻结路基内较正常期小;六轴汽车产生的永久变形大于其他4种轴型汽车;路基内的应力比和永久变形随后轴轴重和路基冻融影响厚度的增加而显著增大;行车速度越低,路基内应力比和永久变形越大.据此提出了季节冻土区长期公路交通荷载作用下路基永久变形预测公式.     

季节冻土区保温路基设计参数

运用土壤冻结条件下水热耦合输移的基本方程和数值方法,模拟分析在不同的埋深、宽度、厚度和施工季节条件下,铺设XPS保温材料板对路基下季节冻土最大季节冻结深度在以后50年内随时间的变化。在数值模拟的基础上,提出在季节冻土区铁路路基工程中埋设保温层的合理深度、宽度及施工季节;总结分析保温板厚度和路基填土高度之间的关系。     

POD Analysis and Low-Dimensional Model Based on POD-Galerkin for Two-Dimensional Rayleigh-Bénard Convection

基于伽辽金投影的Rayleigh-Bénard 热对流POD低阶模型构建及流动POD分析

马行行¹,郑鑫^2,3,王悦¹,程建平¹,张红娜¹,蔡伟华¹

（1. 哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院,哈尔滨 150001;

2. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院,哈尔滨 150001;

3.里昂第一大学,维勒班,法国）

创新点说明：

1）Rayleigh-Bénard热对流的直接数值模拟及其速度场和温度场的POD分析

发现在较大Ra下,流动为准周期流动,腔体中形成一个大尺度环流。POD分析进一步指出,Rayleigh-Bénard热对流的拟序结构同样是大尺度的环流,随着基函数能量含量的减小,POD基函数的涡尺度越来越小。

2）高Ra下的流动-传热问题的低阶模型建立

低阶模型通常用来预测流动,在传热流动耦合计算方面的应用较少。同时,随着Ra的增加,流动的湍流度增强,需要更多的基函数才能较好地体现原始流动的典型特征,低阶模型的建立较为困难。本文实现了高Ra下流动-传热的低阶模型构建

3）Rayleigh-Bénard热对流系统相空间演化特性的研究

通过对比不同基函数下的低阶动力学模型的相空间演化特性,发现随着基函数个数的增加,低阶模型的预测精度更高。

研究目的：

Rayleigh-Bénard热对流是地球物理及工程应用中众多对流问题抽象出来的最简单的物理模型。实现该问题的快速计算及预测在天气预报等方面有重要意义,本文基于此研究背景,利用POD低阶模型研究Rayleigh-Bénard热对流的快速数值算法,目的在于保证精度的前提下,最大可能的缩短计算时间。

研究方法：

首先通过基于OpenFOAM软件直接数值模拟Rayleigh-Bénard热对流,求解得到Ra=10⁷下的速度场及温度场,利用POD分析方法求解数据库对应的基函数（模态）。通过伽辽金投影构建原系统的低阶动力学模型,通过比较低阶模型和原系统的相空间曲线,指出影响POD低阶模型计算精度的因素,在此基础上完善低阶模型,实现高效的计算。

结果：

通过对Rayleigh-Bénard热对流的直接数值模拟结果分析发现,在此Ra下,流动呈现准周期特性并且腔体中形成类似椭圆的大尺度环流。对POD的分析结果表明,该流动的拟序结构同样具有大尺度环流的特性,随着基函数所含能量的减小,基函数的流动尺度也相应减小。对于低阶模型研究发现,低阶模型相对于直接数值模拟的精度随着时间的增加而增加,这和许多研究者所得到的结论相同,同时,利用更多的基函数,计算精度也会提高,但相应的计算时间也会增加。所以,选取较小数量的基函数构建低阶模型并考虑截断基函数的影响的研究-关于closure model的研究非常有必要,这将是我们下一步的工作。

结论：

本文研究了Ra=10⁷下Rayleigh-Bénard热对流的流动特性,速度场及温度场POD分析,以及基于POD基函数的低阶动力学模型。主要结论如下：

1）直接数值模拟结果表明,在该Ra下,腔体中的流动呈湍流态,流动为准周期流动并可以观察到明显的大尺度环流。

2）对流场POD分析结果表明,随着基函数能量的减小,流动尺度也减小,同时,基函数也表现出大尺度环流的特性。

3）对低阶动力学模型的计算结果表明,随着选取基函数个数的增加,低阶模型的计算精度提高,同时计算时间增加。低阶模型的计算结果误差随着时间的增加而增加。

4）Rayleigh-Bénard热对流POD基函数的相空间具有准周期特性,谱系数的演化特性具有类似于正弦曲线的特性。

关键词：Rayleigh-Bénard 热对流,本征正交分解,低阶模型,直接数值模拟

     

吹填土地基真空预压模型优化及参数设计

为降低吹填土地基真空预压三维建模难度,对吹填土地基真空预压简化建模方法进行了探讨。借鉴砂井地基涂抹效应的简化方法,将涂抹效应对＂砂墙＂涂抹区渗透系数的弱化作用均化到＂单墙＂影响范围内土体中,建立了不考虑涂抹区尺寸的砂墙模型,有效减小真空预压三维建模分析的难度,取得了较好的计算效果。采用简化方法对吹填土地基真空预压处理效果进行了分析,重点研究了加固区面积对真空预压计算效果的影响,当加固区宽度大于16.0 m时,边界对加固区中心竖向位移的影响可以忽略。     

正冻黏土瞬态温度场计算方法改进与试验验证

针对现有正冻黏土瞬态温度场计算方法存在的问题,指出正冻黏土中未冻水含量随温度的变化是导致瞬态温度场计算误差较大的原因.在引入未冻水含量计算模型和水/冰相变潜热动态关系的基础上,建立了适用于正冻黏土的热质扩散方程,对其瞬态温度场进行了计算分析.采用现有的3种计算方法和提出的正冻黏土瞬态温度场计算方法,通过ABAQUS软件模拟了模型槽人工冻结试验的瞬态温度场,对比了模拟结果和试验结果.研究表明,与现有的计算方式相比,所提正冻黏土瞬态温度场计算方法计算精度更高.研究可提高冻土-水热力耦合问题的求解精度,服务于人工冻结法的设计和实践.     

桩锚支护体系中锚杆冻胀响应规律试验研究

为研究桩锚支护体系中锚杆在冬季冻胀作用下的作用机理,保障深季节冻土区基坑越冬施工的安全,采用物理模拟试验方法和准分布式光栅串测试技术,研究了锚杆受力随着冻深发展的演化规律.结果表明:冻结初期,随着冻结时间增加,冻深基本呈现线性增加规律(33.6μm/min);冻结变形增大之前,即冻结前期230min内,会经历一个锚杆应变整体缩小的阶段,即冻缩现象,最大冻缩应变量约200×10-6;冻结过程中,从自由段到锚固段,随着锚杆受到的约束不断增大,锚杆变形逐渐减小.桩锚支护体系中锚杆的受力随着环境温度的改变会经历受力反复增减的过程,且冻结引起的锚杆受力大约是静止阶段的10倍以上,需要考虑冻结对桩锚支护体系整体稳定性影响.     

季冻区高速公路路基冻害调查及试验观测研究

本文在对吉林省几条高速公路进行的野外冻害调查、现场观测和室内冻胀、水分迁移模拟试验的基础上,依据所取得的野外资料和室内试验成果数据,对季冻区高速公路路基冻害的原因和影响因素进行分析和探讨;在冻害与水分关系、路基冻害水分来源、水分迁移特征以及由于路面底基层二灰土性能恶化失效导致的道路翻浆等问题进行了深入研究。同时利用本项目综合研究的特点,将竖管法毛细水沿高度分布的研究资料与由冻胀试验揭示的各种冻胀率—含水量变化规律有机结合起来进行分析,从而得到了毛细水冻害有效高度,这对公路路堤最小高度设计和挖方段防冻处理深度设计等防冻措施的采用都有实际意义。本文结合工程实际得出的结论,对季冻区道路路基勘察、设计、施工和维护都具有一定的参考借鉴价值。     

季冻区高速公路路基冻害调查及试验观测

在对吉林省几条高速公路进行的野外冻害调查、现场观测和室内冻胀、水分迁移模拟试验的基础上,依据取得的野外资料和室内试验数据,对季冻区高速公路路基冻害的原因和影响因素进行分析和探讨;对冻害与水分关系、路基冻害水分来源、水分迁移特征以及由于路面底基层二灰土性能恶化失效导致的道路翻浆等问题进行了深入研究.同时利用本项目综合研究的特点,将竖管法毛细水沿高度分布的研究资料与由冻胀试验揭示的各种冻胀率——含水量变化规律有机结合起来进行分析,从而得到了毛细水冻害有效高度,试验结果表明:规范值相对试验值在一些情况下偏低,有的低很多,对路基防冻抗冻设计不利.研究成果对公路路堤最小高度设计和挖方段防冻处理深度设计等防冻措施的采用有实际意义.     

季节性冰冻地区路基温度场分布规律

为准确掌握路基结构温度场的分布特点和变化规律,以季节性冰冻地区典型道路结构路基温度场一年多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规律的研究,并利用统计回归方法建立了观测点所在区域路基温度场的预估模型.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,不同深度路基的温度变化存在滞后性;热量在路基结构...     

沟埋式矩形涵洞土压力及填土等沉面分析

填方工程中,填土在涵洞附近形成土拱,导致现有关于涵洞土压力理论计算值与实测值相差较大。为了探讨涵洞对填方工程变形的相互影响,对沟埋式涵洞顶部土压力及填土变形进行了对比分析,计算结果表明：沟埋式涵洞内土柱的竖向沉降小于外土柱的竖向沉降;沟埋式涵洞顶部土压力系数均大于1,且随沟槽宽度的增大而增大,当沟槽宽度为涵洞宽度10倍时,土压力系数已接近最大值;土压力系数随沟槽深度的增大而呈线性减小规律,当沟槽深度大于涵洞高度的2倍以上时,涵顶土压力可按上覆土重计算;涵洞侧壁受到的剪应力随着沟槽宽度的增加而增加,随着沟槽深度的增加而呈线性减小规律。     

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.     

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。     

季节性冰冻地区路基温度场分布规律

为准确掌握路基结构温度场的分布特点和变化规律,以季节性冰冻地区典型道路结构路基温度场一年多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规律的研究,并利用统计回归方法建立了观测点所在区域路基温度场的预估模型.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,不同深度路基的温度变化存在滞后性;热量在路基结构内的传递过程中伴随能量的衰减,且热量沿深度方向呈非线性传递.夏季温度梯度较小,冬季较大.在此基础上,基于观测数据,运用统计分析法,建立了观测点区域路基温度场预估模型,实测值与预测值的对比表明,该预估模型具有较好的精确性与实用性.     

上埋式高填土涵洞模型地基应力分布数值模拟分析

针对涵侧填土高度对高填土涵洞地基土中应力影响的问题,提出了采用数值模拟来探讨地基土中典型部位的土压力分布.分析不同涵洞结构形式、基础类型和涵洞侧面填土高度对地基土中应力的影响,研究地基土中典型部位的土压力分布.结果表明:涵洞结构形式对地基土中应力分布影响甚微;在距涵洞基础底部第一层土的中心点处,整体式基础较分离式基础相比地基应力增大约17%;随着涵侧填土的增加,地基土中应力的提高率先增加后减少,在涵侧填土为0. 3 m时,地基土中应力提高率达到最大值.     

升温模式对热处理TiN薄膜结构及性能的影响

为了比较不同热处理方式及工艺对TiN薄膜结构和性能的影响,在真空条件下、300~900℃范围内,对采用非平衡磁控溅射方法在单晶硅基底上沉积TiN薄膜后进行了热处理实验,考查了热处理模式（不同升温速率）和温度对薄膜结构和性能的影响．利用X射线衍射仪（XRD）对薄膜微结构进行表征,并利用扫描电镜观察了不同热处理模式下薄膜的表面形貌．同时,对不同工艺下薄膜的硬度、表面粗糙度和电阻率进行了表征．结果表明,薄膜经过热处理后,其晶体结构、择优取向、硬度、粗糙度和电阻率发生明显变化,并且随着热处理模式和温度的不同而产生较大差异．无论哪种模式,真空热处理后TiN薄膜的硬度均有所下降,其表面粗糙度亦有相似的变化趋势．两种模式下,经过450℃热处理后薄膜的硬度和粗糙度均达到最大值,与其高度择优取向的晶体结构有明显的相关性．     

水泥粒径分布对混凝土绝热温升影响的模拟

为了模拟水泥粒径分布对混凝土绝热温升过程的影响,建立了一个基于水化深度的水化模型．该模型假定混凝土中水泥水化过程由水化深度控制,且水化深度随时间的发展与颗粒粒径无关;通过水泥等温放热曲线试验推导得出最大水化深度的存在;假定温度对水化过程的影响满足Arrhenius公式．通过混凝土绝热温升仪测定了3种不同初始温度下的绝热温升曲线,以此得到水化模型所需的基准水化速率曲线．最后将建立的水化模型用于模拟混凝土的绝热温升曲线,结果表明:基于水化深度的水化模型能够准确模拟水泥粒径分布和初始温度对混凝土绝热温升的影响．