寒区高速铁路隧道温度场模型试验系统的研制及应用

 基于寒区高速铁路隧道温度场研究现状及存在问题,以俄罗斯400 km/h的莫喀高铁隧道防寒保温设计为研究对象,研制不同洞外气温、围岩地温、列车运行速度和运行间隔等条件下寒区高速铁路隧道的温度场模型试验系统。该系统由高速列车模型驱动装置、隧道模型、温度控制装置、测试系统以及列车模型五部分组成：高速列车模型驱动装置采用伺服电机,通过PLC梯形图语言编程技术实现列车模型加速、匀速和减速过程的精确控制;隧道模型主体材料采用有机玻璃,通过法兰、螺栓和密封条连接而成,整个试验过程可视化并兼具美观性,还可根据试验需求通过预留多组螺栓孔实现纵向尺寸的拓展,从而模拟不同长度的隧道;温度控制装置由洞外温度控制装置和围岩地温控制装置构成;测试系统由高灵敏度的温度测试元件、风速测试元件以及数据采集仪构成;列车模型以CHR 380A高速列车为模型蓝本,主体材料采用有机玻璃,原型与模型几何相似比为50∶1。试验结果表明：采用控制变量法,洞外气温每降低5 ℃,洞内气温负温长度平均增加104 m;围岩地温每升高5 ℃,洞内气温负温长度平均减少145 m;列车运行间隔短于15 min的寒区隧道,在防冻保温设计时应考虑列车运行间隔对保温设防长度的影响。     

寒区公路隧道保温层厚度的相变温度场研究

 寒区公路隧道一般要受到季节性冻融冻胀作用的影响，因而不可避免地引起一系列的隧道病害问题，不仅影响隧道的正常使用，而且危及结构的长期运营安全性。结合寒区公路隧道气候特点，选择外敷保温材料作为隧道的抗防冻措施；采用相变温度场有限元模型，对不同材料及厚度保温材料性能进行对比分析，并采用现场跟踪测试手段，研究保温层施作后围岩及衬砌的温度场分布，对保温材料的性能进行现场验证，给出了合适的寒区隧道保温层材料及厚度。     

考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场及防寒保温材料敷设长度研究

 基于流体力学、传热学和空气动力学的基本原理与方法,推导出考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场模型,该模型包括：围岩温度场控制方程、隧道内风温场控制方程以及风流场湍流控制方程。在此基础上,采用数值分析方法探讨西藏嘎隆拉隧道通风条件下围岩温度场的变化规律及其防寒保温措施。研究结果表明：隧道未开挖前,随着季节的变化,山体浅部温度出现明显变化,该变化较明显的深度为18 m,当岩体埋深大于18 m后,岩体温度随季节的变化幅值小于0.5 ℃;隧道贯通后,由于通风影响,在环境温度最冷月(1月),隧道进出口段一定范围内的围岩温度出现了0 ℃以下的不利工况,进一步研究显示：在嘎隆拉隧道进口端600 m和出口端400 m范围内,二衬表面敷设6 cm厚的聚酚醛保温材料,可以有效地防止嘎隆拉隧道衬砌和围岩发生冻融破坏。     

土在冻结过程中的温度场研究

在冻结法施工中,冻土帷幕的三维温度场预测是一个重要内容。首先对土冻结过程中的热传递现象进行了定性分析,然后通过相关资料演绎了冻土温度场的理论计算公式和热物理参数公式,最后应用有限元软件ABAQUS并结合模型槽冻结实验,在考虑相变潜热的基础上,建立了1根水平冻结管、2根水平冻结管、3根冻结管(2根水平冻结管+1根倾斜冻结管)的三维温度场模型。通过对不同模型三维温度场的比较,得到了冻结管数量、布置方式对冻土帷幕的形成速度和范围的影响。通过与相关测点测试数据的比对,建立了土体温度随时间的变化曲线,揭示了土体在人工冻结过程中的三维温度场发展变化规律。     

辽西地区风积土冻融特性与冻融过程结构性演变规律试验研究

 介绍新型冻融试验装置及其应用情况,并利用该试验装置对辽西地区典型风积试样在不同温度梯度、荷载和水分补给条件下进行冻融试验,从而揭示风积土冻胀与融沉规律。试验结果表明：随着温度梯度的增大,最大冻胀量和融沉值有不同程度的减小;无论在封闭系统还是在开敞系统中,外力的存在都对冻胀起到抑制作用,融沉值也会随着荷载的增大而减小;外界水分的补给会使最终冻胀量和融沉值都显著增加。风积土在冻融作用下产生冻胀融沉变形,宏观力学性质和微观结构也发生相应的变化,主要是由于土的结构性得以改变,也就是冻融作用破坏了土颗粒间的连接力,同时使土颗粒得以重新排列。将冰率作为结构性参数,针对不同水分场和应力场对辽西地区风积土冻融过程结构性演变规律进行研究。     

地面表层温度场及隧道排水沟埋置深度设计探讨

在寒冷地区的交通土建工程中,冬季地层的最大冻结深度是一项重要的设计参数。论文通过分析地面表层传热的条件及特点,以一维热传导方程为基础,给出了地表传热模型在定解条件下的解析解,通过编程计算、分析得到地表温度场的变化规律。针对公路隧道设计细则(JTG／T D70—2010)中中央排水沟埋置深度设计参数不明确,提出采用:中央排水沟上部岩土体的总导温系数、年平均气温、地表温度年振幅三个参数进行中央排水沟设计,并给出了查询表格。     

气象要素对寒区隧道径向温度场影响规律研究

季冻区的恶劣气象条件是寒区隧道衬砌冻害问题的主要原因之一。依托某寒区公路隧道,研究不同气象条件对隧道径向温度场分布的影响。首先,将现场实测数据与数值模拟结果进行对比,验证了计算方法和参数取值的准确性;然后,采用单因素循环法,分析时间、洞内气温与初始地温对隧道径向温度场的影响规律。研究结果表明：冬季时期,隧道仰拱处的冻结与变温深度变化范围分别为0.323～4.78m和6.669～7.404m,明显高于隧道其他部位;隧道径向冻结与变温深度从仰拱沿着衬砌至拱顶不断减小。最后,对多种气象条件影响下的隧道断面温度场分布规律进行了量化分析,并得出了各初始地温与气温组合工况中,仰拱处冻结与变温深度的计算式,为寒区隧道的抗防冻设计提供了借鉴与参考。     

浅谈概率分析方法在岩土工程中的应用

本文简要回顾了概率分析在岩土工程中的应用研究进展状况，阐述了岩土工程概率分析的主要特点，提出了在对岩土工程进行概率分析时应注意的问题和处理方法。为今后进一步开展岩土工程概率分析作了有益的探讨。     

昆仑山隧道围岩冻融状况数值分析

用有限元方法分析了昆仑山隧道DK976+410断面围岩的冻融状况,结果表明隧道边墙围岩温度场受到扰动比拱顶和仰拱底大,且由施工引起的融化夹层回冻较拱顶及仰拱底迟缓.由于工程活动影响,隧道贯通第30年围岩温度场仍未达到稳定.     

不同冻融模式下淤泥质土力学及微观结构特性研究

通过改进的温控三轴仪,考虑冻融围压、次数和冻结温度组合影响,对淤泥质土开展冻融后固结不排水剪切试验(FC模式)和固结后冻融不固结不排水剪切试验(CF模式),分析上述因素对淤泥质土力学特性的影响,并通过电镜扫描试验揭示冻融围压对其力学特性的影响机制。结果表明：FC模式中,冻融围压会减少冻融后土体内孔隙数量,进而降低冻融对土体强度和模量的弱化作用;而CF模式中,冻融围压使得冻融后土体内孔隙增多,土体融化时土体内超孔压增大且无消散过程,进而加剧了冻融对土体强度和模量的弱化作用;两种模式中,随着冻结温度越低和冻融次数越多,淤泥质土强度弱化效应越明显,土体破坏时的超孔隙水压力越高。淤泥质土力学指标劣化系数随冻融围压、次数和冻结温度的变化规律可用生长函数描述。     

冻融作用对土结构性影响的土力学意义*

冻融循环可以改变土的力学性质,这种影响是通过改变土的结构性而产生的.以一定干密度的饱和兰州黄土和天津粉质粘土为研究对象,使两种土都经过一个冻融循环,然后对冻融前后两种土分别进行土力学试验和电子显微镜图像的定量分析.发现冻融前后土的力学性质和微观结构特征都有一定的变化,而力学性质的变化从某种程度上都可以从微观结构的定量改变中得到解释.这将冻胀和融沉对土微结构的改变以及由此导致的土力学性质的改变的定量化研究向前推进了一步.     

滑坡温度特性研究及其在三峡库岸稳定分析中的应用

三峡库区中有上百个大型滑坡,确定这些滑坡发生时的最大滑动速度是库岸稳定性研究中的一个重要内容。研究滑坡温度场,一方面可以了解高速滑坡的机理,更重要的是,通过反测滑带温度。可以定量计算滑坡发生时的最大速度。本文研究了滑坡体、特别是滑带温度场的变化规律,导出了滑带温度场的变化方程;结合摩擦系数的变化规律,讨论了温度与滑动速度、滑动时间、滑体厚度以及滑体热力学参数的关系,并以试验结果加以验证,从而获得了滑体中温度场分布的基本规律;最后,作者根据三峡库区四个大型滑坡滑带温度值,定量给出了滑坡最大速度,其结果与现场资料相当吻合。     

基于数字图像处理的冻融页岩温度场的数值分析方法

利用数字图像处理技术与有限元软件ANSYS相结合的方法对冻融岩石CT图像进行处理,获得岩石细观结构图像,分析冻融岩石的温度场分布规律。结果表明,数字图像处理技术可以准确地描述岩石损伤的空间分布,最大限度地挖掘利用岩石CT图像所隐含的信息。岩石细观结构图像与有限元法的结合可实现考虑岩石细观介质及其空间分布的冻融温度场的有限元模拟,岩石的细观结构决定了冻融岩石温度场的分布规律,其对岩石冻融损伤破坏过程有重要影响。提出的冻融岩石温度场研究方法可从细观尺度探索寒区岩石工程冻害产生的原因,为解决寒区岩石工程冻胀、融沉问题提供新的方法。     

水化学溶液及冻融耦合作用下灰岩力学特性试验研究

 以洛阳龙门石窟灰岩为研究对象,考虑石窟区灰岩渗水溶液的侵蚀和冬季冻融损伤的影响,进行不同水化学溶液及冻融耦合作用下的力学试验,研究龙门石窟灰岩在水化学溶液及冻融耦合作用下的力学损伤特征。试验表明,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,随着冻融循环次数的增多,灰岩的损伤逐渐增大;与水化学溶液单一的侵蚀作用相比,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用对岩石的损伤程度要大,如在相同的冻融循环次数(90次)的情况下,在蒸馏水、龙门水、NaCl溶液与冻融耦合作用下,试件的强度比自然状态分别下降了50.73%,54.92%,57.67%,而仅受上述溶液作用没有经历冻融的试件强度则分别下降了21.58%,22.88%和28.72%。在试验研究范围内,龙门石窟灰岩的冻融劣化模式均为颗粒损失模式。分析指出,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,溶液中凝结核的丰度和溶液的pH值是影响灰岩损伤程度的重要因素。在对试验结果分析的基础上,建立水化学溶液及冻融耦合作用下龙门石窟灰岩的侵蚀损伤方程。研究结果将为石质文物及岩石工程的长期保护提供重要的理论基础,具有广泛的实际工程应用价值和应用前景。     

冻融过程中土中水分迁移室内试验研究

通过调节试验箱顶板、底板和箱体的温度模式,在正冻和正融试验条件下对粉质粘土的水分迁移进行试验研究。共做了四组试验,每组两个试样,一个用于冻结后测含水量,另一个用于测融化到设定位置的含水量。在其他试验条件相同的条件下,改变初始含水量或温度模式,研究了单个因素对水分迁移的影响。     

冻融循环下粉砂土屈服及强度特性的试验研究

为研究冻融循环对青藏粉砂土屈服及强度特性的影响,进行环境冷却温度-5℃、室温下融化,不同冻融循环次数及围压下的饱和粉砂土的固结排水三轴剪切试验。结果表明:粉砂土在整个剪切过程中呈现出剪缩的特性,且其应力–应变关系为应变硬化型,冻融循环未改变粉砂土的应力–应变及体变型式。未冻融粉砂土的体积屈服面和剪切屈服面可分别用椭圆型曲线和过原点的线性函数进行描述。冻融循环未改变粉砂土屈服面的形状,且冻融粉砂的体积屈服函数及剪切函数与塑性应变和冻融循环次数的关系可用相应的幂函数形式进行表示。其抗剪强度随着法向应力的增大而增大,随着冻融循环次数呈现出先降低后升高的趋势。冻融循环后,粉砂的黏聚力由4.82 k Pa降至2.07 k Pa,而内摩擦角则由27.11°最低降至22.93°。根据不同冻融循环次数下粉砂强度随法向应力的变化规律,指出可用线性莫尔–库仑准则来描述其强度特性。     

低温及冻融环境下岩体热、水、力特性研究进展与思考

 研究低温及冻融循环条件下岩体热、水、力特性对于寒区工程冻胀机理研究及防寒保温设计具有十分重要的指导意义。综述国内外低温及冻融循环条件下岩石的物理力学特性,温度,渗流特性以及水、热、力耦合特性4个方面的研究现状以及取得的研究成果,并结合寒区隧道的特点,提出以现场监测、大量室内冻融试验和单轴、三轴压缩试验为手段,以研究低温相变条件下的导热系数等热、水、力学参数为基础,以建立含相变低温岩体水热耦合模型和考虑空气温度和湿度影响的隧道风流场湍流模型为前提,以获得通风条件下寒区隧道温度–渗流–应力–损伤耦合模型为目的,用以研究寒区隧道围岩的冻胀破坏机制;同时,开发出兼具轻质、保温、抗冻、抗裂和抗震等功能的泡沫混凝土,用于寒区工程保温层及抗震层使用的基本思路。     

寒区隧道地源热泵型供热系统取热段温度场解析

为解决寒区隧道冻害问题,将地源热泵型供热系统应用于内蒙古博牙高速林场隧道中。供热系统由取热段、加热段、热泵和分、集水管路组成,可用于隧道洞口段衬砌和排水系统加热。取热段位于隧道中部,获取围岩中的地热能。隧道取热段温度场由热交换管外围岩温度场和热交换管内流体温度场两部分组成。建立考虑衬砌结构和热源的隧道取热段热交换管外围岩传热模型,利用叠加原理、拉普拉斯变换和积分变换相结合的方法获得取热段温度场解析解。基于能量守恒原理建立热交换管内流体传热模型,根据热交换管外围岩温度场,利用迭代法计算热交换管的出口温度。采用反分析的方法确定试验段围岩的综合热物性参数,将理论解与现场试验数据对比分析,其精度满足工程要求。取热段温度场理论解为系统的设计提供理论指导。