为确定多年冻土边坡稳定性影响因素的敏感程度,考虑冻融循环对边坡土体的损伤作用和边坡局部冻融的特殊性,在影响边坡稳定性基本因素的基础上,引入季节活动层冻融深度和冻融损伤系数,提出基于有限元的温度场-应力场(热-力)耦合多年冻土边坡稳定性分析方法,从而得到边坡的稳定性系数,并将稳定性系数作为系统特征量,利用正交试验对各影响因素进行交互设计,运用改进的灰色关联分析模型进行关联度分析。结果表明:土体黏聚力对多年冻土边坡稳定敏感程度最大;冻融损伤系数、季节活动层冻融深度、内摩擦角、坡度和密度,说明环境因素对多年冻土边坡的影响不容忽略。在该地区冻土边坡防护治理中,通过有效措施减少极端气候条件的影响,是极为重要的。

以工程实际环境为研究基础,阐述砂性土堤防在冻融作用下的破坏机理,并介绍一种新型研究水分迁移试验装置,利用该装置测量黑龙江干流堤防典型砂性土试样在冻融循环作用下的温度场、水分场、应力场的时空分布。试验结果表明:堤顶公路破坏与堤身不均匀沉降有关,温度变化引起含水率出现梯度变化,从而出现应力场变化,且温度梯度含水率梯度呈线性关系。冻结初期土柱顶部出现应力增加,稳定后应力减小,稳定冻结深度1 m左右。

盾构长距离掘进对盾尾刷造成过大磨损时会使其因失去密封作用而需更换,盾尾刷更换的难点在于管片拆卸后盾尾的密封止水加固。本文结合某过江隧道盾尾刷更换工程,对该工程承压含水层范围内的冻土帷幕进行强度验算,按是否考虑0.3MPa的承压水压力分两种情况进行三维数值模拟,主要得出:两种情况下σx、σy、σz方向的应力基本全部为压应力,拉应力值太小,可忽略不计;最大压应力值均为1.47MPa,最大剪应力值均为0.49MPa;拉、压、剪应力值的安全系数均远大于2,其安全储备得以保证。更换盾尾刷时冻土帷幕能够起到很好的止水和稳定地层作用,其设计温度和厚度满足强度要求。所得结果为今后类似工程设计提供了理论依据。

冻土路基土体的物理性质与温度有密切关系,在不同的季节,路基内的变形场和应力场会相应发生变化.为了说明路基内变形场和应力场的季节性差异,以青藏铁路某断面为例,对冻土路基在有、无列车荷载两种工况下进行了数值模拟,系统分析了两种工况下路基内的变形场和应力场特点.结果表明:路基修筑后,在自重作用下会产生较大瞬时变形;由于路基内温度场随时间变化,路基内各点的位移也随时间发生变化,且位移时程曲线与温度时程曲线大体呈负相关.在有、无列车两种工况下路基竖向位移分布都是由道砟中心向路基内部逐渐减小,但数值明显不同;由列车荷载引起的最大竖向附加变形发生在路基顶面中心点,在10月15日、1月15日、4月15日,变形量分别为-4.94 mm、-3.24 mm、-2.56 mm.对于路基底面中心点和地基浅层中心点,由列车荷载引起的附加应力在10月15日最大、1月15日次之、4月15日最小,附加应力最大达到19.48 kPa;列车荷载主要影响路基上部土体应力分布,对下部土体应力分布影响较小.

针对我国西北地区一些受季节降雨作用影响明显的季节性冻土隧道,运用传热学和有限元的基本理论,建立ANSYS有限元模型,对不同含水量围岩的温度场、应力场进行模拟研究;探讨含水量对围岩冻结圈范围及冻胀力对衬砌结构体系的影响。计算结果表明:随着含水量的增大围岩的冻结圈变小,冻结深度减小;隧道衬砌内力,随着含水量的增大整体上呈增大趋势;隧道边墙处拉应力均较大,如当含水量为20%时,边墙拉应力达到5.6 MPa,这与隧道边墙呈现沿纵向延伸的张拉裂缝相符。依据上述结论,含水量变化对季节性冻土隧道衬砌开裂有较大影响,建议二次衬砌尽量避免采用素混凝土衬砌。

在冻土路基非稳态温度场控制方程和融化固结理论模型的基础上,以109国道橡皮山地区典型路基土体粉质黏土制做的圆柱体力学模型为研究对象,采用有限元软件ABAQUS建立计算模型,并与室内试验结果对比,提出了土体冻结和融化过程中的温度场和融化沉降的变化规律.研究结果表明:在动荷载作用下,土样变形量随时间而增大,最终达到了稳定形式,而在不同幅值动荷载作用下,土样变形量存在明显差异,在一定的范围内,动荷载幅值大小对冻结土体融化速率作用有限.

本文首先简要介绍了在煤矿建设中广泛应用的冻结法的应用范围,然后以上海市轨道交通4号线隧道修复工程中山南路段垂直冻结为例,在试验数据的基础上计算参数,建立有限元模型,对其应力场进行分析研究。研究过程中参数的选取、边界条件的处理、模型的建立、问题的求解及结果处理为隧道修复工程及类似工程提供了有益参考。

通过对饱和含水冻土区埋地管道周围冻土层的温度场、水分场和应变应力场进行数值模拟分析,得出管道穿越冻土区应力、应变不均匀分布和变化的一般规律。由于管道的散热作用,周围冻土层的结构、成分遭到破坏,土壤孔隙水减少,蓄热量低于融土,同时伴随水分的传热和传质作用而带走热量使土壤更加干燥。这些变化影响土壤变形及应力状态:管道上方土壤应变、应力变化剧烈;管道周围应变渐增,应力不断减小,易产生融沉;管道下方非融冻土应变小于上方融土、呈层状递减,土壤被加固,应力不断增大。

以鄂西地区沙子垭隧道为背景,运用传热学和有限元的基本理论,考虑应力场和温度场的耦合影响,建立了应力场和温度场耦合问题的二维数学模型,并应用Galerkin法进行了有限元分析。分析结果表明,温度场对季节性冻土隧道的应力场影响较大,在建设期间应该考虑应力场与温度场的耦合影响。

针对冻土区埋地输油管道将遇到受土体冻胀和融沉破坏等一系列特殊问题,综述了管道周围土壤水分场、温度场、应力场及三场耦合的研究现状,介绍了冻土区埋地输油管道与水热力三场的关系,分析了目前与冻土区埋地输油管道三场研究相关的研究成果。结合埋地输油管道在实际运行中的油温变化等因素,提出了未来关于冻土区埋地输油管道三场研究的几点建议,以期为冻土区埋地输油管道的设计、建设与运行提供参考。