冻土路基应力变形数值模型

冻土路基中水、热随气候的变化是不均匀的 ,由此引起的土性变化也是不均匀的 ,土性的不均匀变化导致路基不均匀变形 ,当路基中的不均匀变形超过容许值时 ,路基便产生破坏 ,冻土路基土性的动态变化及由此引起的变形差异 ,是冻土路基设计中应注意的关键问题。基于此 ,在现有土力学弹塑性理论和流变理论的基础上 ,模拟水、热及土性的动态变化 ,建立了冻土路基应力及变形的二维数值模型 ,模型考虑了冻土的流变变形、自身体积变形和瞬时变形 ,重点考虑了土性变化情况下土的流变变形和瞬时变形特征     

青藏铁路桥头路基变形分析及治理方案

对青藏铁路多年冻土区某一桥头路基沉降变形及地温数据进行分析,总结出引起该桥头路基下沉的主控因素为:1热侵蚀,热侵蚀致使其下伏冻土融化,是引起桥头路基下沉的一个主要因素;2太阳辐射,路基两侧边坡表面吸收的太阳辐射能的差异影响着坡面热状况差异,进而影响到了路基横向的热差异,导致不平衡的冻融状态,产生不均匀沉降。提出了相应的治理措施,为同类地区桥头路基沉降的治理提供参考。     

冻土路基护道地温特征研究

一般地区路基工程设置护道是从边坡的力学稳定性方面考虑的，青藏公路整治改建期部分路段设置护道隔阻路基坡脚处积水，护道因具有保温作用而被称为可保温护道，青藏铁路建设参照青藏公路也设置了保温护道。为研究护道对冻土路基温度特征的影响，根据青藏公路试验工程地质特点，运用数值模拟方法计算路基温度场，并进行试验工程测温孔实际观察数据的对比分析，系统地研究了冻土路基护道地温特征变化规律。研究结果表明：设置护道对人为上限、年平均地温及融化盘等路基地温特征影响有限，但融化深度、年平均地温均表现为增大趋势；高温冻土区护道会加剧路基下冻土退化；冻土路基护道不应作为提高路基热稳定性的主要措施。     

冻土地区一种新型抛石护坡路基的研究

通常认为青藏铁路抛石护坡具有热二极管效应，可保护路基下的冻土。而实际情况是，在青藏高原昼夜温差比较大及高原强风的条件下，抛石护坡内发生的强迫对流将使传统抛石护坡的热二极管效应减弱或消失。应用数值仿真手段在理论上研究这种发生在抛石护坡内的强迫对流对4种传统护坡温度场的影响，即普通路基（边坡上只覆盖砂土层，无碎石层）、开放型抛石护坡、封闭护坡（碎石护坡上使用绝热材料），以及保温护坡路基（碎石护坡上加保温材料并以砂土覆盖）。研究结果表明：传统抛石护坡在高原强风的情况下，已基本失去通过主动降温来保护冻土的效果。就此，在研究中提出一种新型抛石护坡路基，即遮阳挡风型抛石护坡。经过数值仿真研究发现，这种新型路基不仅可很好地冷却地基，也可解决风砂填埋护坡和太阳辐射引起的阴阳坡问题。     

太阳辐射及气候变暖对冻土区单桩承载力的影响

以传热学理论为基础建立冻土区单桩地温场的热分析模型,采用有限单元法在考虑裸露桩基表面吸收太阳辐射同时与大气自然对流换热、冻土相变、气候变暖条件下,计算了青藏高原典型的湿润性永久冻土区桩周冻土未来40 a的升温过程及桩基承载力变化,分析裸露桩长和初始年平均气温对地温及桩基承载力的影响。结果表明:太阳辐射和气候变暖使桩土界面温度升高导致单桩承载力降低;裸露桩长越长吸收的太阳辐射越多,主要体现在冬季,温度升高承载力下降,夏季升温不明显;初始年平均气温对桩基础承载力影响显著,初始年平均气温升高1℃,冬季桩基础承载力下降800~1 000 kN,夏季承载力下降400~700 kN。     

青藏高原多年冻土路基温度场公路空间效应的非线性分析

多年冻土路基温度场的公路空间效应包括路基尺度效应与路面结构效应。利用考虑冰水相变与水分迁移的热流传导等效参数模型,数值模拟公路路基不同高度、不同宽度、不同边坡坡度的尺度效应与公路沥青路面、水泥混凝土路面、砂砾路面的结构效应,分析高原多年冻土路基温度场的变化。结果表明,青藏高原多年冻土对公路空间效应反映敏感,路基尺度直接影响地基温度场的变化,路基高度、边坡坡度与地基吸热量呈负相关性,路基宽度与吸热量呈正相关性;在高原强太阳辐射环境下,沥青路面吸热对冻土地基温度场影响剧烈,沥青路面吸热量是砂砾路面的1.7倍左右。研究认为,与其它线状工程相比,公路宽幅路基、沥青路面热效应是多年冻土路基温度场改变的关键因素,未来青藏高原多年冻土区高速公路建设必须妥善处理因公路空间效应引起多年冻土地基升温融化而导致的工程稳定与安全运营问题。     

青藏高原热融湖对冻土工程影响的数值模拟

热融湖的侧向热侵蚀对周围冻土工程产生较大影响。在柱坐标下,运用带相变的数值热传导模型,预测了热融湖影响下冻土路基的地温场发展状况和可能造成的工程病害。预测结果表明：在不考虑湖岸坍塌后退、面积扩大的情况下,热融湖对冻土路基的热影响主要受湖底年平均温度和湖边到路基的距离两个因子的影响。湖底年平均温度越高,对路基的热影响越严重;湖边到路基的距离越近,对路基的热影响亦越严重。突出的表现在坡脚、路基中心平均地温升高和融化夹层在水平、竖直方向的发展。如果考虑热融湖的湖岸坍塌后退,实际增温要比模拟的结果更明显,影响更严重。     

块碎石夹层结构冻土路基温度分布数值分析

为研究青藏铁路普通道碴路基和本文提出的块碎石夹层路基的温度场分布,本文将铁路道碴和块碎石夹层的对流换热简化为多孔介质的热传导问题,根据多孔介质中流体热对流的连续性方程、动量方程和能量方程,应用伽辽金法导出了多孔介质对流换热的有限元公式,并对普通道碴路基和抛石路基在未来50年的十月份温度场进行数值分析与比较。计算结果表明：在普通道碴路基中,路基下冻土的温度升高和退化,路基阴阳坡下温度的不对称性极为发育,阳坡有明显贯穿路基高温区且坡脚高温聚集,其路基结构很难保持路基及冻土的稳定性和路基的温度对称性性;而在块碎石夹层路基中,路基下冻土上限缓慢抬升且冻土地温保持良好的对称性,阴阳坡下路基温度差异较小且对称分布,坡脚没有温度聚集现象,其路基温度分布有利于保持路基及冻土的稳定性,同时说明了块碎石路基具有良好的调节路基温度的能力。     

青藏铁路冻土区开放块石护坡路基降温机制研究

开放块石护坡路基是青藏铁路所采取的冷却地基保护冻土的一种主要措施。针对青藏铁路北麓河试验段现场的气温条件和地质条件,对北麓河试验段开放块石护坡路基在昼夜间和冷暖季的温度场、速度场和热流量进行分析和研究,探讨其降温机制。研究结果显示,块石护坡在暖季夜间存在一定的降温效果;块石护坡暖季由于遮阳作用存在热屏蔽效应,冷季放出的热量大于暖季吸收的热量,有利于保护冻土;块石护坡的主要换热方式是强迫对流换热,自然对流换热较少;块石护坡降温效果产生的主要机制是块石护坡的遮阳作用和块石护坡内空气在昼夜间、冷暖季流动速度的差异而引起的不平衡强迫对流换热。     

季节性冻土地区高速铁路路基地温分布规律研究

 研究路基及周边地区土体地温的分布规律是季节性冻土地区高速铁路路基的稳定性分析的重要基础。结合哈大(哈尔滨--大连)高速铁路双城地区3 a的现场监测数据和气温资料,分析坡脚、天然位置及路基不同位置的地温分布规律。在此过程中,利用地温振幅、平均地温等结果,建立相应的地温估算公式,为确定数学模型的基本边界条件提供依据。建立非稳态相变温度场的数学模型,研究路基地温随时间的变化特点和沿深度的分布规律,并预测地温场的变化趋势。现场监测和模拟计算结果表明：地温分布规律主要与土体构成、土体热扩散能力、气候和位置等因素有关。季节性冻土地区高速铁路路基最终形成较为稳定的季节冻结层,相对稳定的地温和不对称的地温场。路基阴阳坡地温场的不对称,可能导致路基横向差异变形和纵向的不均匀变形,进而影响路基的稳定性。     

多年冻土区公路路基阴阳坡温度及变形差异分析

 基于青康公路阴阳坡效应显著路段——K369路段路基的地温、变形监测资料,研究路堤内阴阳坡温度场差异及其对冻土路堤变形以及路堤稳定性的影响,分析路基地温、变形特征及其相互关系。研究结果表明：(1) 冻土路基在横断面上的差异沉降变形和其下地温场分布的不对称状况密切相关,地温场状况及其变化控制和决定着冻土路基变形场的状况;(2) 坡向不同而引起的太阳辐射差异是造成阴阳坡热交换不对称的根本原因,也是造成路基横向差异沉降的根本原因;(3) 路基变形的发展较地温的发展有一个相对滞后的响应,这决定了路基最大沉降并不是发生在最大融化深度的时间。对有差异沉降的路基来说,阴阳坡两侧路基发生最大沉降的时间也不一致,阳坡一侧达到最大沉降的时间要滞后于阴坡。这种差异变形会随着时间加剧,最终导致路基纵向裂缝的发育进而严重影响路基的稳定性。     

多年冻土区铁路保温路基变形特征研究

冻土具有极为特殊的工程地质性质,修建其上的路基将不可避免地发生变形,甚至是破坏。为保证道路畅通,冻土路基在满足热稳定性要求的同时,道路路基的变形也必须满足设计规范要求。基于青藏铁路北麓河保温路基的地温、变形监测资料,分析路基地温、变形特征及其相互关系。研究结果表明,冻土路基的变形和其下地温场状况密切相关,地温场状况及其变化控制和决定着冻土路基变形场的状况。多年冻土地温升高产生的冻土压缩变形是导致保温路基持续较大变形的主要原因之一,在冻土路基变形研究中不可忽略。而冻土融化产生的变形是冻土路基变形的主要因素。基于实际监测数据分析结果,考虑到温度对多年冻土地区土体力学性质的强烈决定作用,建立冻土路基热弹塑性融沉压缩本构模型,进行温度场和变形场的单向耦合分析。计算结果表明,当该地区年平均温度较低、在路基高度较小的情况下,铁路保温路基的变形较小。相反,在该地区年平均温度较高,路基高度也较大的情况下,冻土路基的变形较大,这也和监测结果相符合。     

多年冻土区道碴结构铁路路基室内试验研究

介绍了青藏高原多年冻土区道碴结构铁路路基的室内模型试验研究结果。分析了模型路基典型部位的温度随时间的变化情况及整个路基中典型断面在最低负温、最高正温和融化期结束时的温度场特征。通过对不同周期内对应时刻温度场的对比分析表明 :在路基表面 ,温度分布不对称 ;随着时间的推移 ,路基土体的温度有明显的降低 ,最大融化深度在逐渐减小 ,这说明在环境温度较低、路基高度较高的情况下 ,道碴路基结构是一种能维持路基下冻土稳定的路基结构形式 ,但在考虑全球升温及高温冻土条件下 ,还需要采取其它保护冻土措施     

遮阳网在多年冻土区边仰坡防护中的应用研究

为了分析评价遮阳网对冻土边坡的实际降温作用,建立了冻土边坡数值计算模型,将太阳辐射作用等效为气温增量,探讨了太阳辐射对冻土边坡的地温影响,计算了不同遮阳率下的边坡融深,并结合现场监测,得到了遮阳网的实际遮阳率以及对冻土上限的提升效果。     

退化性多年冻土地区公路路基地温和变形规律

 青藏高原多年冻土地区公路路基地温、变形监测资料表明,在工程活动和气候变暖双重作用下,路基下多年冻土普遍存在着上限下降和地温升高等特征退化,从而产生了以融沉为主的公路路基病害。基于青藏公路唐南段和青康公路K369段路基地温和变形的现场监测资料,总结退化性多年冻土地区路基的两类典型变形——横向不均匀变形和横向均匀变形规律,并分析路基地温、变形特征及其相互关系。结果表明,多年冻土地区路基的稳定性,最终取决于路基下伏冻土的地温变化和含冰量状况,其温度状况和路基路面的变形紧密相关。对于横向不均匀变形路基,多年冻土地区路基温度场的不对称性导致路基下多年冻土人为上限在路基下差异巨大,土层冻融状态的不对称最终引发路面变形在横向上的差异。退化性多年冻土区横向变形不均匀路基全年以沉降变形为主,且左、右沉降量差异较大,易于诱发纵向裂缝病害。对于横向变形均匀路基,退化性多年冻土地区公路路基变形以下沉变形为主,绝大部分路段没有明显的冻胀变形过程或冻胀变形很小,基本表现为年际的均匀沉降变形。横向变形均匀路基横向上变形比较均匀,年变形量相差不大,路基变形对路基稳定性和路面的影响较小。由于沿路基走向工程地质条件的差异,可能会形成局部沉降或波浪沉降变形病害。     

青藏高原多年冻土区路基表面浅层地温探讨

冻土路基温度场是决定冻土路基稳定性的关键因素。在多年冻土区修筑道路工程后,由于工程施工的扰动作用,改变了地表与外界的热交换条件,打破了原有的热平衡状态,使冻土路基温度场变化十分复杂。鉴于青藏高原独特的自然地理环境,实测地温及气象资料获取的困难性,通过青藏铁路沿线有限的实测地温资料,建立了砂砾路面下路基水平表面浅层地温与理论太阳直接辐射强度之间简单的近似线性函数关系,并分析讨论了路基边坡表面浅层地温与太阳直接辐射强度之间线性关系较差的原因。     

不同厚度块石路堤对冻土路基冷却效果对比研究

用数值模拟的方法计算了同一工程环境下块石路堤不同块石厚度情况的路基温度场随时间的变化。对比分析显示:块石路堤均具有主动冷却路基的作用;由于边坡效应的存在,对一定的工程环境和设计,块石路堤存在最优块石厚度,使冻土路基的冻结强度和多年冻土上限抬升达到最佳。块石太薄,块石中空气的循环达不到最大制冷能力;块石太厚,边坡效应将导致空气的对流存在多向流动环,反而使隔热和制冷能力均减弱。     

软土桩基上拓宽路堤的变形破坏离心模型试验

采用离心模型试验手段,以广州高速公路改扩建工程为背景建立模型,设计相应尺寸的模型试验方案,模拟软土桩基上的新路堤拓宽过程,研究软土桩基的变形破坏规律与机理。结果表明:旧路堤主要发生竖向位移,新路堤发生沉降和一定量水平位移; 新路堤坡肩区域出现向坡脚滑动趋势,导致新路堤施工过程中路堤和软基产生滑动破坏; 新路堤中的滑裂面首先出现,从新路堤坡肩到短桩顶端自上而下逐渐形成; 在新路堤滑裂面形成过程中,软基中的滑裂面从旧路堤下的地基表面至新路堤坡脚下地基部分自内向外逐渐形成,2条滑裂面几乎同时达到贯通状态; 管桩发生一定程度的倾斜,在滑裂面出现之前的某一时刻倾斜角度迅速增加; 在局部滑裂面附近位移出现较快增长,变形较为集中; 变形局部化导致了局部发生破坏,而局部破坏促进了变形局部化的进一步发展,二者的耦合发展最终导致土体发生破坏。     

Optimum slope angles and the corresponding uncertainties for a solar collector

Determination of the optimum slope angle of a solar collector is highly dependent on the incident solar radiations on the collector surface. As collected instantaneous data of incident solar radiation values are averaged, more attention must be directed towards these figures by determining the uncertainties in these measurements as this allows the calculation of the optimum slope angle. These average solar radiations give a definite optimum slope angle if they come along with the lowest uncertainties. Hence, this study aimed to find the optimum slope angles of solar collectors with corresponding uncertainties. For doing this, the solar radiation data borrowed from the Iranian Meteorological Organization which were measured on a horizontal surface in a period of 20 years (1986–2005), were employed. The results showed that the uncertainties of the optimum slope angles in some cities were quite high and it indicated that in this case more attention should be paid to select the appropriate optimum slope angle. These changes were more in cold regions compared to hot and dry regions because the weather in the colder climates is typically more transient than the weather in hot and dry climates.