立方排列水泥球体通风性能及参数试验研究

 由于块石层具有较好的通风换热特性,使得块石护坡和块石路基在青藏铁路建设中得到广泛的应用,并起到良好的降温效果。块石层中的空气流动规律已成为目前研究的热点问题,但块石的大小、形状和堆砌方式的随机性使得直接进行块石通风试验时,得到的结果具有很大的偶然性和不确定性。为解决这一问题,采用风洞室内模型试验对不同直径立方排列水泥球体层的渗透率及惯性阻力系数进行研究,试验选用的水泥球体直径为0.15,0.20,0.25,0.30 m,立方排列球体的孔隙率均为0.476。风洞试验结果表明：水泥球体层内部压力梯度与渗流速度之间存在良好的二次非线性关系;随着球体直径的增大,渗透率随之增大,而惯性阻力系数随之减小。     

利用封闭式块石护坡调节通风管路基阴阳坡效应

为研究多年冻土区通风管路基和通风管封闭碎石护坡路基在阴阳坡温度差异影响下,温度场的不对称特征和下部冻土上限间的差异,评价封闭块石护坡对通风管路基温度场的调节效果,利用北麓河通风管路基实测温度资料,并考虑气候变暖的影响,分别对这两种路基温度场进行数值模拟分析.分析结果表明,通风管路基具有一定的降温能力,但阴阳坡下冻土上限间差异显著,路基温度场呈现明显的不对称性;在通风管路基阳坡增加封闭块石护坡后,可以降低阳坡下土体温度,减小阴阳坡下冻土上限间差异,能有效调节路基阴阳坡效应.对第50年路基与天然地表交界处年平均热流密度的分析表明,增加封闭块石护坡后的路基结构优于通风管路基,且两种路基均处于吸热状态.     

立方排列球体层渗流特性数值模拟研究

在多年冻土区块石夹层和块石护坡路基温度场的计算中,可以将块石层看作为多孔介质,但是块石的不规则给其渗透特性的研究带来了很大的麻烦,通过对立方排列球体层渗透特性的研究以期能为块石层的渗透特性研究做出铺垫。基于连续性方程、动量方程以及RNG湍流模型对直径为0.20 m、0.24 m和0.30 m立方排列球体层渗透特性进行模拟研究。对比和分析计算结果发现:球体层内部空气压力梯度与渗流速度之间呈良好的非线性幂函数关系;球体层的阻力系数与球体直径也显现出幂函数关系,球体直径越大,阻力系数越小。     

青藏高原东部高温多年冻土区路基热稳定性模拟分析

根据青藏高原东部地区高温多年冻土地段的自然地理及地质水文条件,利用部分试验路段的实测资料,对该区在分别修建不同高度的沥青、水泥混凝土、砂砾路面后路基的热稳定性进行了模拟分析,根据计算结果就不同路面类型在该区高温冻土地段的适用性进行了探讨。     

软弱夹层对水泥土单轴压缩影响研究

为探究软弱夹层厚度比对水泥土试样单轴压缩力学参数和破坏模式的影响规律,借鉴含单夹层盐岩的制样方法制备含不同软弱夹层厚度比的单夹层水泥土试样,进行室温和冻结状态下的单轴压缩试验。在室内试验研究的基础上采用PFC2D对水泥土单轴压缩进行模拟,分析试样受荷后的细观力学响应机制。最后建立软弱夹层与荷载耦合作用下水泥土单轴压缩损伤本构模型,探讨软弱夹层厚度比对试样损伤变量演化的影响。研究结果表明:(1)室温和冻结状态下水泥土试样单轴抗压强度和弹性模量均随着软弱夹层厚度比的增加呈负指数规律衰减;破坏应变随软弱夹层厚度比增加呈抛物线变化规律。(2)PFC2D模拟得到的不同软弱夹层厚度比的水泥土试样单轴压缩力学参数以及破裂模式与室内试验结果比较吻合,数值模拟和室内试验均表明软弱夹层厚度对试样破坏模式影响较大。(3)软弱夹层与荷载耦合作用损伤本构模型能够较好地描述室温和冻结状态下含软弱夹层水泥土试样在单轴压缩荷载下的应力-应变关系,软弱夹层的存在使试样变形过程中损伤程度差异明显。软弱夹层厚度比越大,在很小的轴向应变时试样总损伤变量就达到很大值,试样很快就出现破坏。     

冻融循环作用下锥柱式桩基础水热及变形动态变化规律研究

在寒区工程中,基础水热状态及变形受冻融循环的影响。锥柱式桩基础是一种渐扩式扩底桩,在多年冻土区得到了大量的应用,但是其理论研究依然落后于工程实践。鉴于此,通过室内模型试验,利用温度传感器、水分传感器及激光位移计对冻融循环作用下桩基和土体温度场、水分场及变形进行同步监测。结合冻融周期,分析桩基水热及变形的变化规律。结果表明,回填土冻结深度随冻融次数的增加而增厚,桩基导热性能优于土体,且桩基对环境温度的响应更为敏感,因此其能够为深部土体和外界环境提供良好的热交换通道,致使冻融过程中温度场分布与桩基形态紧密相关;受温度势、重力势和毛细作用对水分的驱动作用及桩底扩大部分和冻结层对毛细水的阻滞作用综合影响,经历一定冻融循环,桩周土含水量减小,桩底和基底两侧一定范围内形成水分集聚区域;桩基和土体纵向变形在冻融过程中均呈增大趋势,土体最大变形1.9 mm,桩基最大变形8.0 mm,随着冻融次数的增加,二者相对变形经历急剧累加、缓慢累加和稳定动态变形三个阶段。     

边界温度周期波动下块石的温度变化规律

将块径为 6～ 8cm、4～ 6cm和 2～ 4cm的块石分别装入直径为 15cm、高度为 5 9cm的有机玻璃筒内 ,进行了边界温度周期波动条件下块石体中一维温度场的测试 ,以考察多孔块石体中温度变化规律。试验表明 ,开放系统条件下 ,块石体温度随时间变化具有不对称性 ;温度随深度变化不符合基于热传导理论的傅立叶第一定律 ,具有迟缓性 ;块石体中的平均温度经过几个周期会低于其表面平均温度 ,说明其中存在对流换热机制。封闭系统条件下 ,三种块径的块石体的温度变化均无上述规律 ,表明其中对流换热机制尚不存在或十分微弱。     

通风管-块石复合路基降温效果的数值分析

在考虑未来50 a气温上升1℃的情况下,通过数值模拟来研究通风管-块石(封闭)新型复合路基的降温效果.结果表明:普通路基下冻土上限从第1年的-1.86 m下降到第50年的-4.85 m;50 a后,普通通风管路基和封闭块石路基下部多年冻土的0℃等温线分别位于天然地表下-0.89 m和-0.22 m处,通风管-块石(封闭)路基下部0℃等温线在50 a内始终高于天然地表,第50年的0℃等温线位于天然地表之上0.04 m处;在暖季,通风管-块石(封闭)路基与天然地表交界面的正热流密最小,普通通风管路基中的通风管热流密度为正,而通风管-块石(封闭)路基中的通风管热流密度为负,这表明复合路基中封闭块石弥补了通风管暖季吸热的缺陷;在高温高含冰量地区推荐使用通风管-块石(封闭)路基作为公路路基结构.     

青藏高等级公路通风管试验路基降温效果

在假定未来50a气温升高2.6℃和初始年平均气温为-4.0℃的前提下,应用有限体积法(FVM)对青藏高等级公路试验示范工程段普通路基、普通通风管路基和通风管-XPS复合路基温度场进行三维非线性分析.结果表明,普通路基下部冻土退化严重,第50年的最大融化深度为10.98m,冬季土体中有融化核存在.普通通风管路基和通风管-XPS复合路基在一定时期内可以降低下部多年冻土的温度,提高0℃等温线,且通风管-XPS复合路基的降温效果略优于普通通风管路基,但在气温不断升高和沥青路面吸热的双重影响下,这2种路基的坡脚处会出现融化核,且0℃等温线已经延伸到路基中心处,这将直接影响路基的稳定性.     

饱和粉土冻胀过程试验研究及数值模拟

 为了研究温度梯度、冻结速率、土样高度和竖向压力对冻胀的综合影响,在不同试验条件下对饱和粉土进行了一系列一维土柱冻胀试验,试验中测量土样温度、竖向压力、冻胀量和补水量。试验结果表明：在温度场处于准稳态时,冻胀速率与温度梯度成正比例增长关系,冻胀速率随着竖向压力增大而线性减小;定义比冻结速率为冻结速率与土样高度之比,当温度场处于瞬态时,冻胀速率随比冻结速率成幂函数增长,增长率随着比冻结速率增大而减小。提出了综合考虑温度梯度、冻结速率、竖向压力和土样高度的冻胀计算公式,在此基础上推导了考虑水分迁移的冻土热扩散方程,提出了模拟冻胀和温度变化的数值模拟方法,通过一个数值算例计算了冻结过程中的温度和冻胀量变化,并与实测结果对比验证了该方法的可靠性。