热喀斯特湖是其周边多年冻土重要的热源,也是排向大气的温室气体的重要源泉,对湖下及周边多年冻土中发生的物理、化学、生物、地貌和水文过程能产生重要的作用,严重影响冻土区环境和建筑物的稳定性。数值模拟为量化分析热喀斯特湖及其演化对周边多年冻土热状况长期影响的效果提供了有效的方法,极大地深化了人们对热喀斯特湖作用的认识,总结热喀斯特湖对多年冻土热状况数值模拟研究的进展对运用和改进现有数学模型以及开发更加有效的模型具有重要的指导作用。综述了最近10多年开发的描述热喀斯特湖对多年冻土热状况影响的相变热传导模型、热融滑塌模型、湖塘—冻土耦合模型、组合热量传递与质量传输过程的湖扩张模型、温度场与水分场耦合运移模型,以及基于移动网格方法的热喀斯特湖动态演化模型等主要数学模型的构成、功能、优点和不足,提出了未来数值模拟研究中值得重视的问题,包括建立更有效的模型,确定更符合实际的初始条件,深入研究土壤的热和物理参数,充分考虑湖水补给的作用,进一步研究热喀斯特湖周边冻土层上水的热效果,建立耦合相变热传导与对流传热过程的控制方程,在模型中嵌入气候变暖的效应,研究热喀斯特湖干涸对多年冻土区环境变化的长期影响,量化...

陆域天然气水合物(以下简称水合物)主要赋存于高原冻土区,为保证顺利钻探,要求钻井液既能够有效抑制水合物分解、维持其相态平衡,又能在低温环境下具有良好的流变性能。为此,以新研制的低失水抗低温聚合物钻井液配方为研究对象,对其在低温条件下的流变性能进行了测试,并利用回归分析法和最小二乘法对试验数据进行计算与分析。结果表明:①赫谢尔—巴尔克莱模式是描述该钻井液体系低温流变性能的最佳模式;②应用该模式计算得到了低温条件下钻井液流变性能参数,其变化规律表现出随着温度降低,钻井液动切力呈近似波动变化,钻井液的稠度系数和流性指数均大致呈线性增长的趋势,但增长幅度较小。结论认为:所建立的钻井液表观黏度低温响应数学模型拟合精度高,可准确预测井内钻井液在低温下的流变性能。

针对目前工程界较多采用经验判断和工程类比方法确定冻土热物性参数的现状,总结了热物性参数的4种确定方法及各自优缺点,介绍了热响应测试的方法及原理,论述了地层中柱状换热器与岩土体热量交换过程的两种数学模型,并对比分析了估算热物性参数的3种方法。认为冻土区道路工程的地质勘察内容应包括冻土的热物性和初始温度,建议推广现场热响应测试,并采用合适的估算方法确定热物性参数值,以保证路基和热棒设计的合理性。

建立了考虑地基孔隙溶液迁移因素影响的冻胀计算数学模型。提出了管道下方土壤季节性冻融的数值试验结果。

隔热层经常被用于多年冻土隧道中,来防止隧道结构的冻融破坏。文章根据多年冻土特点及优化理论,推导了多年冻土隧道隔热层的数学优化模型;并以风火山隧道为例进行求解,分析研究了隔热层用于多年冻土隧道的合理性和经济性。结果表明,该多年冻土隧道隔热层的数学优化模型是合理的,求解方法是可行的;对于多年冻土隧道,地表温度对隧道围岩影响深度是有限的,因此多年冻土隧道隔热层应根据隧道埋深、年平均温度以及年较差分段设计,才能达到既合理又经济的目的。

利用Clapeyron方程来描述冻土内温度、冰压力和水压力的关系,根据质量守恒原理和能量守恒原理,建立一维非饱和冻土水热耦合模型。采用数值模拟和室内试验相结合的方法,对建立的水热模型进行检验。研究结果表明:随着冻结时间的增加,冻土的温度变化由剧烈转成平稳,最后沿高度线性分布;冻土段含水量增大,未冻土段含水量减小;在冰透镜体的存在的地方,孔隙比明显增大,含水量明显增大;模拟结果与实测结果较吻合,验证了该模型的正确性。

结合冻土流变学、冻土物理学、冻土力学和传热学等相关学科的基本理论,并考虑水分场与温度场的耦合作用及温度对冻土路基力学特征的影响;同时引入冻土野外试验蠕变方程,进而建立了冻土路基的水、热、力(蠕变)分析数学模型,并编制了相应的有限元计算程序。随后,以青藏铁路某试验段路基为例,对多年冻土区路基的热—力稳定性问题进行了系统研究,并通过与现场实测数据对比发现,所建立的冻土路基热—力理论模型正确合理,较好地分析预测了青藏铁路多年冻土路基的长期稳定性。

采用MTS-810液压伺服材料试验机,对人工配制的冻黏土试件进行了三轴蠕变试验,获得了冻黏土在复杂应力状态下的蠕变曲线.结果表明:冻土的蠕变变形具有较强的温度敏感性,温度越高,这种温度敏感性越强;相同温度下,荷载越大,变形越大.运用相关理论,推导了冻黏土在复杂应力状态下的三轴蠕变非线性数学模型,采用MATLAB软件的数据拟合功能得到了模型方程参数的数值,模型参数与温度之间存在密切关系,建立了二者之间的数学表达式.冻土三轴蠕变非线性数学模型的曲线与试验曲线拟合精度较高,建立的数学模型可以精确体现冻土的蠕变规律,能够为实际冻土工程的变形发展预测提供有效的理论指导.

针对穿越冻土区埋地管道存在冻害破坏的安全问题,根据冻土区管道周围实际环境的具体情况,分别综述了管道周围土壤温度场、水热耦合场及管道与水热力三场耦合的数学模型,提出在实际工程建立各个数学模型时需考虑的因素,以期为冻土区埋地油气管道的设计、施工及运行提供参考

建立了冻土中的热传导模型。在计算冻胀时,利用水分入流量和时间关系计算水分迁移引起的冻胀应变;利用已冻土中未冻含水量和温度关系,求原位水的冻胀应变,将冻结引起的体积膨胀系数作为负的热膨胀系数,利用MARC程序中热应力的计算程序计算外界迁移水和原位水的冻胀位移;两项位移之和为总冻胀位移,并利用冻胀率和荷载的实验公式来考虑荷载对冻胀的影响。采用有限单元法对二维水平冻结模型进行了数学模型分析。通过验证,证明所提出的有限元模型及相关参数,可以结合有限元计算软件用于计算冻土中的冻胀量,分析其在外界荷载作用下对环境的影响。