冻土层与气候变化、人类工程活动和社会经济发展具有极为密切的关系,尤其是在工程建设和安全运营方面存在着巨大的挑战,在冻土区域开展基础设施建设将会受到冻土消融及地层结构变化等要素的制约。本文通过建立数学模型,求解了冻土消融对基建工程引起变化的问题。从理论上能够追踪冻土消融问题影响工程建设的相变界面,为实际中的工程建设提供理论依据。
热参数是进行冻土温度场评估和强度稳定性计算的先决条件,但其数值由于组成材料的多相性和水物态变化的持续性而难以确定。为揭示四相系冻土材料的比热与其干密度、饱和度和温度的关系,研究了压力、温度、物态变化对土比热的影响。在此基础上,依据自然冻土和人工冻土的存在温度、干密度和含水量,配制了多种黏土试样。通过低温恒温循环槽和比热容测试仪等仪器设备,实测了试样的比热容。研究表明,当干密度一定时,冻土的比热随饱和度的增大而增大,其原因在于孔隙水比热对土比热的贡献随饱和度的增大而增大;当饱和度一定时,比热随干密度的变化而变化,但其趋势在高饱和度和低饱和度阶段呈现不同的规律,这可能源于土颗粒与水的质量占比和水土比热的差异都对比热有重要影响但影响权重不同。另外,论文还研究了误差的原因在于热平衡持续阶段的热量损失难以评价,并提出了提高绝热效率的改进方向。
针对冻结工程灾变过程中渗水孔隙等灾害源在地下水热流侵蚀作用下逐渐扩展的过程进行了研究,在一定假设条件下建立了柱坐标系下基于对流换热边界条件(第三类边界条件)的相变传热数学模型。在对原偏微分方程无量纲化处理后,采用了对数形式分布的热积分平衡方法(HBIM)求解;对于同一问题,在变量代换的基础上采用了基于乘方定律格式的有限差分数值方法进行了求解。对于侵蚀相变位置的求解,两种方法的计算结果吻合良好,在计算的时间范围内,两者最大偏差不超过1%。研究结果表明:史蒂芬数St、毕渥数Bi、以及过冷系数φ为侵蚀相变界面位置随时间变化规律的主要影响因素;在不同参数组合情况下,侵蚀相变位置随时间均呈现出近似线性变化规律;在其他参数不变的条件下,St,Bi增大一倍时,侵蚀相变速率均增加一倍左右,而φ增加一倍时,侵蚀相变速率仅减小了5%。进而说明在实际工程中,降低冻土的平均温度能够减缓侵蚀相变速率,但作用十分有限;相反,降低水流温度或者减缓水流的流速等措施则能够有效减缓水流侵蚀速率。利用本文结果预测实际冻结工程灾变过程时,需考虑土壤性质的不同以及地下水温度、对流换热系数等随孔径变化带来的影响,可将由本文方法得...
多年冻土产生的冻胀和融沉可能导致管道变形破坏,探明中俄东线天然气管道岛状多年冻土的现状和退化原因非常必要。采用工程地质钻探、地温测试及高密度电法的综合勘察方法,对管道沿线16处疑似岛状多年冻土区进行勘察验证;通过搜集管道沿线气候和森林覆盖率等资料,分析近年来研究区域内各要素变化趋势,推测其对冻土环境的影响。研究表明:由于全球气候转暖及人为活动频繁等诸多因素,导致东北地区气温升高、森林覆盖率减少、湿地消失,冻土环境失去了原有的热平衡,造成管道沿线岛状多年冻土区显著退化;与此同时,20世纪70年代划定的东北地区多年冻土南界呈现明显北移的趋势。
由于常年冻土,我国高原地区路基的热平衡状态失调,路基变形情况十分严重。根据冻土地区的施工特点,从其冻胀性、融沉性和冻融过程出发,对常年冻土地区的路基情况进行实地分析和考察,并研究出相应的控制对策。
生态防护工程是永久性主动保护冻土的措施,能够降低路基内部温度,对提高冻土路基热稳定性有重要意义,同时,还可改善冻土区生态环境。现场试验结果表明:生态防护段在地表以下10、20、30、40 cm处平均温度较对比段降低了2.13、3.24、3.34、4.51℃,在整个冻融周期使进入土体热流减少,提高了该段路基的热稳定性;植被覆盖度为15%、25%、40%的生态防护段在距地表40 cm处其年平均降温为1.24、1.25、4.72℃。因此,在进行冻土路基以及类似工程的设计施工中,可根据实际情况采用生态防护工程以保障其路基稳定性。
利用热平衡积分法求出了一类伴有相变的一维热传导方程在具有稳定地中热源条件下的融化深度Xpb与所用的时间t的关系,并根据Alaska北极Barrow地区的冻土与融湖资料,摄动深度δ与Xpb的比,ξ为25,进而用所得解求得了融湖下底部冻土融化深度随时间变化的曲线。
以热平衡积分法为工具,求出了一类伴有相变的一维热传导方程在具有稳定热源条件下的近似解析解,并根据Alaska北极Barrow地区的冻土与融湖资料,用所得解析解求得了3 000年内融湖下冻土融化深度与时间的关系.
针对青藏铁路风火山冻土隧道地质条件和气候条件特殊,隧道内气温温度高于围岩温度容易引起隧道围岩融塌的问题,分析了引起隧道工作面温度升高的原因,提出了一种盐水-空气复合不耦合装药结构,并进行了理论研究和模拟试验研究。结果表明,该装药结构既能降低隧道工作面的温度,也能减少爆破对隧道围岩的损伤,隧道现场周边眼应用爆破效果明显。
根据多年冻土地层的特点 ,在现场施工经验的基础上 ,从钻进方法、钻进参数等方面进行分析、探讨 ,得出冻土钻孔桩快速施工的几个经验要点 ,为以后冻土层钻孔桩施工提供参考。