青藏铁路北麓河试验段地温分布对比分析研究

考虑相变和全球气温升高的影响,利用数值分析方法,对青藏铁路目前惟一的L型支挡结构的温度场进行了数值模拟.通过建立路基温度场有限元模型,选取适当的边界条件、初始条件及热学计算参数,计算北麓河试验路基断面10 a内的地温变化情况,并与2 a的地温实际测试资料进行对比分析.冻土融化深度数值计算和实测数据吻合较好,反映地温对气温变化的滞后响应特性,表明计算模型是可信的,计算结果可供参考.未来10 a的数值计算结果表明：最大融深（或冻土上限）没有下降,表明冻土已经形成新的平衡,冻土上限稳定.可以预见该土工结构最终会达到一个稳定的热平衡状态,表明L型这种柔性支挡结构应用于多年冻土地区是适宜的.     

多年冻土路基热稳定性的有限元分析

利用ANSYS有限元软件,引入附面层原理,对高纬度多年冻土区沥青路面下路基温度场进行模拟。研究结果表明:运营30年,各深度处的年平均地温发生着具有一定规律的升高,且变化的幅度也随着深度的增加而衰减;路表下浅层温度场变化幅度最大,深层温度场变化幅度越来越小;随时间和气温的逐年增长,冻土人为上限逐年下移,将严重影响路基的热稳定性。     

青藏铁路五道梁地区碎石护坡保护路基稳定性措施试验研究

以青藏铁路格尔木-拉萨段五道梁地区五北大桥碎石护坡试验段为对象,阐述了碎石护坡降低地温、保护冻土路基稳定性的原理,并对DK1082 425碎石护坡试验段的实测地温和路基变形的数据进行了详细的分析,研究了碎石护坡降低地温保持冻土路基稳定性的作用效果。     

冻土非稳态温度场有限元模拟分析

在冻土工程领域,国内外已经展开了广泛的基础性研究,取得了丰硕的成果.对冻土路基温度场问题,目前已有理论依据和计算方法,但大多只考虑了第一类边界条件.本文利用有限元软件,同时考虑了辐射、蒸发、换热等各种边界条件,对冻土路基非稳态温度场进行了计算分析,根据计算与实测结果的对比分析,从而有力地验证了本文采用有限元计算方法的可靠性,并且进一步根据计算与实测结果,对冻土路基非稳态温度场进行了计算分析.     

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。     

基于FLAC3D的季节冻土路基冻融变形分析

为了研究季节冻土路基温度场及变形场的动态变化规律,利用FLAC3D软件及内嵌的FISH语言,编写了路基计算参数随温度变化的程序,对兰新二线典型冻土路基的冻融变形问题进行了更准确的模拟分析。通过建立路基计算模型,对路基温度场与实测资料进行了对比分析,验证了模拟方法的有效性与可靠性;通过模拟不同高度的路基在冬、夏季时的冻融变形情况,得出路基高度H是影响冻土地区路基热稳定性的重要因素。研究表明:路基高度H不同,路基上各点的冻融变形随时间的变化规律相同,而变形量均不相同;冻融引起的路基表面和内部沿深度方向各点的变形差别很大;最后通过比较得到既符合路基稳定性又符合工程经济性的最佳路基高度,对冻土路基的设计和施工有一定指导意义。     

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。     

基于遮阳理论冻土区路基及周边冻土表面辐射分析

 冻土区路基各表面间太阳辐射的差异引起路基发生横向非均匀变形。目前所采用的基于太阳入射角的分析方法,未能充分考虑到冻土区高路基遮阳效应对周边冻土的影响,特别是在对路基坡脚附近冻土分析时与实际工况存在很大的偏差。基于太阳辐射强度和路基影子轨迹随时间的变化规律,提出利用遮阳理论分析路基表面太阳辐射的分析方法。通过对比K. Y. Kondratyev关于倾斜面接收太阳辐射的描述和工程实测数据,验证遮阳理论分析方法的正确性。基于遮阳理论提出直射率概念,并获得路基表面温度计算的经验方程。分析表明,冻土区路基各表面的太阳辐射之间存在明显的差异,其差异性与路基走向、坡度等影响因素密切相关。对于坡度较大的高路基,路基的遮阳效应也会引起路基周边冻土表面出现明显的非均匀太阳辐射,表现为越靠近路基坡脚辐射量越小,阴坡坡脚处辐射量小于阳坡坡脚处辐射量,这种太阳辐射的非均匀分布在路基的稳定性分析中应予以考虑。     

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。     

青藏铁路多年冻土区块石路基碎石护坡工程效果研究

青藏铁路多年冻土区路基工程的修建,改变了路基基底多年冻土的热量平衡状态,引起了地下温度场的重新分布。文中对青藏铁路楚玛尔河段的块石路基碎石护坡实验段1年地温进行分析,研究了该种工程措施对降低地温温度保护多年冻土,平衡路堤阴阳坡温度场差异的工程效果。研究结果表明:块石路基碎石护坡对冻土的保护效果非常明显。     

遮阳棚在多年冻土区路基工程中的应用研究

基于青藏铁路路基遮阳棚工程的监测资料,结合室内模拟试验及计算,就该措施保护多年冻土地基的效果进行了分析。分析表明,遮阳棚通过遮挡太阳直接辐射、降低近地表气温和地表温度,进而降低了其影响范围内的土体温度,起到了保护冻土的良好作用。     

基于冻土正交各向异性冻胀变形的隧道冻结期地层位移数值分析

 针对隧道水平冻结法施工的特点,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件及土体的相变潜热过程,建立隧道水平冻结温度场的数学模型。定义土体的冻胀率为瞬时体应变,考虑冻土的正交各向异性冻胀变形特征,即冻胀变形主要发生在沿热流方向(温度梯度方向),引入变形特征系数的概念,从而导出土体温度降至冻结温度后而产生的瞬时热应变分量(冻胀应变分量),并建立地层冻胀的弹塑性热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术,编制冻土正交各向异性冻胀变形的用户子程序,从而提出隧道水平冻结期地层位移的热力耦合数值分析方法。将该方法应用于某浅埋大断面地铁隧道水平冻结工程中,获得地层冻结温度场和冻胀位移场的分布规律,并与现场实测结果相比较,验证数值分析方法的可靠性,同时表明地层位移分析中考虑冻土正交各向异性冻胀变形特征的必要性。     

室外人体受地面热辐射的预测模型

室外地面热辐射包括地表本身发射辐射和对太阳短波的反射辐射两部分,是组成室外热环境的重要因素之一。本文首先通过合理的基本假设,将室外人体等效为一柱体——“人体柱”,建立室外人体受地面发射辐射和反射辐射的物理数学模型。然后通过理论分析,获得了室外人体受地面热辐射量随距离的变化关系式;该关系式表明,人体受地面热辐射随离人体距离增加而迅速减少。最后利用数值积分确定了地面对人体热辐射的主要范围为离人体中心8m内的地面范围。另外,还讨论了减少地面热辐射的几种措施。     

青藏铁路粒径改良路基温控效果分析

基于青藏铁路北麓河粒径改良路基试验段地温监测资料,分析了粒径改良路基地温变化规律及其温控效果,并同其他保护冻土措施进行了对比分析。结果表明：在一定深度范围内,粒径改良路基地温呈现年季变化、呈正弦曲线变化特征;同普通路基相比,在年平均地温曲线方面表现出具有冷却路基,保护冻土的效果;同普通通风路基相比,粒径改良路基虽在冷季冷却效果弱于通风路基,但在暖季热屏蔽效果好于通风路基,从年平均地温方面已表现出较好的保护冻土的态势,是一种积极主动的保护措施。     

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。     

青藏铁路粒径改良路基热状况分析

基于青藏铁路北麓河试验段粒径改良路基、普通路基、天然场地的地温监测资料,定量分析了3种方式下土层的热状况变化特征。结果表明:修筑有路基的吸热量大于天然场地的吸热量;粒径改良路基经历的融化期略长于天然场地,但远短于普通路基。从热收支状况来看,粒径改良路基放热强度大于吸热强度,总体呈现出放热状态,但同天然场地相比,热收支变化不甚突出。粒径改良路基有使路基表层热收支趋于天然状态的趋势,具有保护多年冻土的作用,是一种积极保护冻土的较好的措施。     

干热干冷地区围护结构热工设计对内表面温度及室内热舒适的影响

为了分析干热干冷地区围护结构热工性能对室内热环境的影响,采用物理环境实测结合动态模拟方法对比分析了2组墙体的保温、蓄热性能对内表面温度的影响,并结合太阳辐射季节变化探究了太阳辐射吸收比对室内热舒适的影响.研究表明:实测结果与模拟结果吻合较好,对于干热干冷地区,提高围护结构蓄热性能能够降低夏季内表面温度,对冬季内表面温度...     

Measurement and simulation of the thermal environment in the built space under a membrane structure

This paper presents a study to clarify characteristics of the summer thermal environment in an actual membrane structure with a semi-closed space underneath by using field measurements and simulations. The first part of this paper describes the following findings from the field measurements conducted during a summer period: (1) the solar transmission through the membrane had a greatest impact on the thermal environment in the living space under the membrane structure during the daytime; (2) the mean radiant temperature (MRT) at the central part of the living space went higher than the air temperature due to heat storage in the ground and walls of surrounding buildings where radiation cooling to the sky was obstructed by the membrane. In the second part of the paper, a 3D CAD-based simulation tool (called the thermal environment simulator) developed by the authors' group was used to simulate the thermal environment in the test membrane structure. A comparison between the measured and simulated surface temperature of the membrane was carried out. As a result, it was found that the simulated results agreed well with the measurement data. In addition, the following subjects were discussed using the simulation tool: how the thermal environment under the membrane is influenced by changing the solar transmittance and absorptance of the membrane or changing the ground surface materials. Simulation results show that the simulation tool is able to provide a quantitative prediction and evaluation of the thermal environment in the living space under the membrane structure in terms of the surface temperature and mean radiant temperature distribution.     

短时气温冻融周期内土坡浅层的水热状况分析

为揭示短时冻融周期内土坡浅层的水热状况特征,选取典型短时冻土区域,采用现场气象监测与数值模拟相结合的技术手段对短时气温冻融周期内土坡浅层水热状况进行分析。结果表明:在3个月冻期总持续时间内,共有18次气温冻融周期,其中16次为1 d气温冻融周期,1次为2 d气温冻融周期,1次为6 d气温冻融周期。气温冻融周期内最低气温为-4.4℃,最高气温为10.8℃;日辐射峰值范围为41~827 W/m~2;平均风速为3.5~3.7 m/s;大气中水汽接近饱和状态。6 d与1 d气温冻融周期内土壤最大冻结时间分别为32 h与5 h,最大冻深分别为10 cm与5 cm,土壤含冰率分别为0.16与0.14,短时冻区应重点关注边坡浅层10 cm以内土壤强度的冻融损伤。1 d气温冻融周期内,土壤冻结时段一般为3∶00—8∶00之间。土壤冻结的开始时刻取决于最低气温,而土壤冻结持续时间取决于太阳辐射高低,若土壤冻结时间与太阳辐射时间相重叠或者气温处于土壤冻结温度以下的持续时间小于1.5 h,边坡土壤不易冻结。因此,同一边坡的阳面与阴面在土壤冻结开始时刻与冻结持续时间存在较大差异。