针对寒区铁路路基冻胀整治难题，以我国一寒区铁路路桥过渡段冻害整治工点为依托，介绍了一种可在运营条件下实施的路基微型盾构置换方法。基于数值计算软件建立了环境-路基-盾构置换层-地基的多层结构水热力耦合模型，采用数值计算方法分析路基内部水分场、温度场、冻胀变形场的影响机理及演化规律，验证了盾构置换层所起冷屏障层、水分阻滞层、零冻胀填料夹层等预期效应。综合现场测试和计算结果分析，论证了微型盾构置换方法用于路基冻害整治的有效性与实用性。

冻土渗透系数是冻土水热模型的关键参数。在当前数值计算过程中，多采用的是渗透系数经验模型，而经验模型的最大缺陷是其经验参数并不适用于所有土体。鉴于渗透系数理论模型具有较强的普适性，故考虑将渗透系数理论模型用于水热耦合计算。为评价理论模型的适用性，本文选取四组饱和冻土的渗透系数模型，以三个水热耦合模型算例为基础，通过比较渗透系数及冻胀变化趋势，对四组饱和冻土渗透系数模型的有效性进行分析。结果表明，理论模型预测结果受颗粒级配曲线及冻结特征曲线影响明显。四组理论模型均可以反映冻土渗透系数变化规律，而分形模型的预测效果最佳。推荐采用未冻水含量为变量，计算冻土渗透系数。研究成果可为准确预测冻胀提供基础。

为了研究低温冻土地区软土路基蠕变变形规律,考虑低温和含水率对软土路基蠕变特性的影响,结合KBurgers-MC模型,建立了软土路基的蠕变损伤本构模型。利用C++语言编写了蠕变损伤模型动态链接库文件,通过FLAC3D软件对东港高速公路软土路基蠕变进行数值计算,计算结果表明:桩长对软土路基蠕变沉降有着重要的影响,增加桩长后软土路基蠕变沉降量、蠕变速率和塑性区明显减小;低温环境下含水状态的路基蠕变沉降值小于干燥状态,然而当含水率超过一定界限时路基会发生冻胀现象,导致蠕变沉降量增大;路基的蠕变速率随着温度的升高逐渐增大。将现场监测与数值计算结果进行比较,验证了数值计算的准确性,研究结果对于北方沿海软土路基蠕变沉降的防治具有指导意义。

为揭示青藏高原东部高温冻土区高速公路XPS保温板路基的人为冻土上限退化规律,确保高温冻土区路基的长期热稳定性,减小因人为冻土上限退化引起的路基病害,首先,利用现场地温实测资料分析高温冻土区XPS保温板路基地温的纵、横向分布特征,以及路基修筑初期人为冻土上限的退化特征;然后,采用非饱和土渗流与热传导理论求解冻土水热耦合微分方程,实现冻土水分场与温度场的全耦合,进而将水热耦合模型模拟所得温度场与现场实测温度场进行比较,以验证该模型的正确性;并分析XPS保温板路基在5种工况(包括填料类型、年平均地温、路基高度、XPS保温板铺设位置和气候变暖)下人为冻土上限的退化规律;最后,采用MATLAB分析影响人为冻土上限退化主要因素,进而对其进行多元线性回归,建立高温冻土区XPS保温板路基人为冻土上限计算模型。研究结果表明:XPS保温板路基左侧一定范围内温度比右侧对应范围的温度高;路基修筑初期人为冻土上限先抬升60cm,然后以10cm/年下降,冻土上限的变化导致深部冻土层存在一定幅度的升温;5种工况条件下,路基人为冻土上限与时间均呈线性增加关系;影响人为冻土上限退化的2个主要影响因素为填料类型和气候变暖...

以水热耦合模型为基础,依据风火山地区的气象资料,用ANSYS软件模拟一年中大气温度变化对浅层冻土的影响,确定格拉管线运行的自然地温环境。结果表明模拟值与实测数据基本吻合,且温度月变化随深度增加而渐趋平缓。继而以7月中旬的自然地温为边界条件,运用Fluent软件模拟0号柴油输送过程中的温降变化。结果表明:温度为11℃的0号汽油流经48 m长的管路,最大温降约为5.5℃,且沿程温降模拟值与轴向温降计算式的计算结果基本相符;以0℃为边界温度,模拟了入口温度为0℃柴油的黏性增温效应,结果显示,流经48 m长的管路,油流的黏性温升约为0.000 8℃。

在冻土区管道建设中埋地管道周围温度场与水分场的预测十分重要,其中数值模拟计算可以很好的预测。文中总结了国内外学者在管道周围温度场及水分场耦合作用与土壤温度场的研究进展,分析提出在对埋地管道周围土壤温度场进行数值模拟方面的建议。

用透水土工布包裹道砟碎石填筑的截排水纵向盲沟,是哈尔滨-大连高速铁路(简称哈大高铁)在大开挖路堑段采用的重要的防冻胀工程措施.由于碎石层在顶部温度较低时,其中发生对流换热过程而强化对其下部土体的降温作用,可能导致盲沟底部冻结而影响其防冻胀效果.通过数值仿真软件分析了排水盲沟的温度状况,结果表明:对于哈大高铁的气温环境,在不考虑积雪影响的条件下,将发生盲沟底部排水管冻结积冰,影响纵向盲沟防冻胀效果的问题.在盲沟顶土层中加设0.1 m保温板能够提高盲沟底部的最低温度,推迟起始冻结时刻,缩短冻结时长,但不能完全避免盲沟底部排水管的冻结问题.在有表层保温板的条件下,在盲沟底部换填砂层虽然不能提高盲沟碎石层的温度,但却能有效提高盲沟底部的温度.复合措施可以有效解决盲沟底部冻结的问题.

为解决G214线共和—结古公路冻土路基施工过程中出现的挤塑式聚苯乙烯(XPS)保温板路基弯沉不达标及选材标准等问题,针对不同厂家生产的XPS保温板开展了单轴压缩试验,得到了其弹性模量和抗压强度,采用数值方法研究了XPS保温板弹性模量对路基弯沉的影响规律,分别计算了其在施工荷载和工后荷载条件下的应力分布。基于计算结果提出了能够满足冻土路基设计要求的XPS保温板力学性能指标。研究结果表明:路用XPS保温板应同时满足以下2个条件,即为满足路基弯沉的设计要求,弹性模量应大于45MPa,为满足施工期和工后运营期的强度要求,抗压强度不得小于500kPa。

基于含相变的瞬态温度场控制方程和水分场扩散方程,考虑温度梯度水分扩散率的影响,建立了水热耦合形式下的等效温度场控制方程。根据风火山地区的冻土资料和气象资料,模拟聚氨酯保温层厚度为60 mm的顺序输送成品油管道6—9月对该地区冻土温度场造成的影响。结果表明,当输送90号汽油和-20号柴油且输送时间在50 h以内,经过该地区管段周围冻土的温升为0～0.5℃,运行1个月后最大温升可达0.8℃,运行2个月后最大温升可达1.1℃。根据模拟的管道中心处地温的变化趋势,7月23日—9月7日可输送冷滤点为-1℃的0号柴油。

试开采研究是天然气水合物从理论研究走向商业化开采的必经之路。提出的注蒸汽开采是一种综合开采方法,是在降压开采的基础上,往孔内注入热蒸汽对水合物目标开采层进行激振往复式热激发。注蒸汽开采能够避免"自保护效应",促进水合物进一步分解,理论上能够扩大开采范围、提高产气量。利用FLUENT数值模拟软件对蒸汽加热水合物层动态过程进行数值计算,通过模拟计算结果对比分析,在满足开采要求的前提下确定最佳的注蒸汽功率为20 kW,注热时长为38 h。在青海木里盆地天然气水合物试采项目中,注蒸汽开采进行了5.2 h开采试验,产气量为3.25 m3。