为了解多年冻土区灌注桩浇筑后的桩体温度分布特性、变化规律和桩–土传热过程,基于青藏高原北麓河钻孔灌注桩现场实体试验观测结果和理论分析开展系统研究。结果表明:随着混凝土的灌注完成,首先在桩体与周围土体传热过程方面,桩体表现为较为明显的分层现象,多年冻土上限附近以上部分桩体放热热流相对较弱,而以下部分相对较强;其中热流矢量方向以水平为主,深度垂向方向相对很小、且也主要集中于多年冻土上限附近。其次,在温度变化方面,桩体上、下部分表现为不同的温度变化过程。上部经历了快速升温和缓慢的降温过程,而下部表现为较为稳定的降温过程,并由此导致桩体深度方向温度较大的差异性,最大温度梯度达到约11℃/m,其中热量主要聚集在桩体上部、并形成高温核。因此,桩底可能存在因温度过低引起的强度不足问题;以及大温差可能导致的沿深度方向混凝土温度裂缝和开裂的产生。工程中建议合理控制入模温度或使用低温早强混凝土,以提高混凝土的养护温度并减少温度裂缝的产生。
本文利用简易沙箱装置,模拟地埋管在土壤中取热至土壤内层部分冻结以及取热后土壤的温度恢复过程。通过改变圆管换热器内冷冻液的温度,定性分析恢复过程中冻结层厚度、土壤温度场等变量的变化规律,研究考虑土壤冻结的温度恢复过程中,冷冻液温度改变对含湿土壤温度恢复特性的影响。得出冷冻液温度越低,相同恢复时间后冻结层半径越大,冻结层半径较停机时刻的恢复量越低,全部冻土融化所需时间越长,冻结锋面处温度越低,冻结锋面温度恢复量越低以及冻结锋面处的温度恢复速率除相变阶段较其前后小幅下降以外其余时刻都随时间递减等结论。本文相关结论对后续研究土壤相变传热机理、冻土融化模型等模拟实验具有实际参考价值,并可为实验条件不足的研究者提供现实依据,为其后续研究地埋管周围冻结土壤的温度恢复特性提供有针对性的帮助。
研究路基及周围土体温度的分布规律是分析季节性冻土地区路基稳定性的重要基础,结合哈齐客专DK221+150断面3 a的现场监测数据,分析了天然地表及路基不同位置的地温分布规律;建立温度场的仿真模型,研究温度沿深度方向的变化规律;利用实测数据验证模型,分析保温护道高度对路基温度场的影响。现场监测和模拟计算结果表明:护道对路基的边坡下部和坡脚处影响较大,能够有效减小冻深,但对路基中心的温度场影响不大。
为研究冻土斜坡路基温度与水分分布规律,基于不饱和土Richards方程推导出冻土水分与温度变化的耦合关系式,建立水热耦合模型。应用有限差分原理进行离散化,编制计算程序模拟冻土斜坡路基室内模型试验。通过模拟结果与试验值的对比,验证了应用模型计算程序的可靠性。对青藏铁路风火山K1139试验段斜坡路基的温度水分分布变化进行模拟分析。结果表明:相对于同一海拔高度的路基中心线上点及右坡脚点,斜坡路基的左坡脚点温度和含水量均较高。冻土斜坡路基的融化界面与水分富集层均沿斜坡发展,与斜坡坡向相同,影响斜坡路基稳定性。
我国作为世界第三大冻土国,输油管道的建设应充分考虑冻土对管道造成的冻胀和融沉危害的影响,而大地温度场得研究就是其中非常重要的内容。广泛调研国内相关分析方法,总结各种方法的应用现状和发展方向,对于指导相关设计研究工作,具有一定的指导意义。
为分析深季节冻土区涵洞对路基及其下地基热状况的影响,建立了涵洞温度场计算模型,基于已有的试验涵洞监测数据,对比分析了所建模型的可靠性,再在该模型基础上,通过改变材料参数和模型尺寸,进行不同情况下的数值计算。结果表明:模拟季节冻土区涵洞温度场时,需要充分考虑热对流效果,忽略填土热对流效果是不合适的,考虑热对流效果的模型在定性和定量上均与现场监测情况一致;在季节性冻土区涵洞设计工作中,应该采取一些积极措施避免或减少对流传热对涵底冻深发展的影响;涵底最大冻结深度随着含水量呈三段式的变化规律:随其增大先减小,后减小速度变缓甚至冻深略有增加,最后又趋于减小;寒区涵洞内径的尺寸对涵底冻结深度方面的影响较大,而净高对涵底冻结深度方面的影响很小,可以不考虑。
通过合理建立冻土地带通风地基温度场的理论计算模型,利用一维稳定传热进行理论计算。分别计算了通风地基在最热月、最冷月和全年平均室外气候条件下的温度分布情况。计算分析表明通风基础在该冻土带可以采用。
冻土,即具有负温和含冰的土体岩石。本文主要以数值方法数值模拟研究二维水热耦合问题,从宏观尺度上研究冻土在外界温度一定时,系统本身的温度分布状况。
由于铁路道碴和片石铺层的对流换热为多孔介质的热传导问题,为解决青藏铁路抛石护坡路基温度的计算问题,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,应用伽辽金法推导出了多孔介质对流换热的有限元公式,对具有阴阳坡的抛石护坡路基和普通路基在未来 24 a 的温度变化分别进行了预报分析和比较。计算结果表明,对于阴阳坡温度相差 1.8 ℃的普通路基,在阴阳坡增加片石直径为 10 cm,厚度分别为 80,160 cm的抛石护坡,就能达到使路基温度对称分布的目的,消除由于阴阳坡温度差的作用而造成路基下冻土上限不对称分布、引起路基的不均匀沉降以及形成路基纵向裂缝的病害。因此,应大力推荐该种路基作为青藏铁路冻土区有阴阳坡路段的路基结构,以便最大限度地保护冻土区的铁路。
对季节冻土区直埋供热管道热工参量的计算，归结为土壤的非稳态相变热传导问题。建立了计算供热管道热工参数的数学模型，并在土壤非稳态相变传热方程的基础上，用有限差分数值方法建立了数值模型。对管道周围的非稳态温度场和管道的散热量进行了数值计算，其结果表明，比常用的热汇法更符合实际情况。