季节性温度变化导致土壤出现冻胀和消融现象，导致地埋管道出现冻胀和破损现象，因此针对多年冻土存在的主要问题开展多年冻土环境消防系统研究很有必要。本文总结多年冻土设计难点和国内外多年冻土地区管道设计的工程经验，并提出多年冻土地区消防管道设计的合理方案，特别是多年冻土地区埋地消防管道保温层厚度的设计。利用Ansys软件进行模拟分析，结合工程实际利用稳态热和瞬态热法模拟计算，提出更加安全和高效的设计方案，以期可为多年冻土消防系统设计提供参考。
为提高基坑冻土挡墙的成墙效率,寻找冻结法施工中温度场的变化规律,指导冻结施工获取最佳冻结强度,基于传热学和工程流体力学对冻土温度场的影响因素进行试验分析,通过有限元ANSYS热力学模块提出了稳态与瞬态相结合的温度场计算新模型。通过试验及数值模拟着重对冻土温度场形成的人为可调控因素进行分析,对冻结管的材质及结构提出了优化方案,同时得出冷冻管间距是影响冻结效果的主要因素,最优冻结管间距为500 mm。
基于AnsysWorkbench有限元分析软件，利用稳态热和静力学模块对冻土区埋地管道及其周围土壤温度场进行分析。分析发现：管道应力主要集中在弯头处，且埋地处的弯头应力较大；位移量则是在管道出土后的最前端出现最大值；土壤的温度场受低温管道的影响，在管道的四周形成了一个低温区，且温度以逐渐递增的形式向四周扩散。
通过对高原冻土层遮阳装置进行改进,分析了遮阳装置的传热热力学理论,为改进其传热通路提供了理论依据,并提出一种新型路基结构复合装置提升高原冻土路基热稳定性。使用三维制图软件对改进前后冻土层路基结构进行建模,之后使用ANSYS仿真软件对改进前后的结构进行热学仿真分析,对比分析改进前后的仿真结果可以发现,新型遮阳装置由于采用了空心砖阻热结构,降低了自身热导率,使得路基冻土层温度相较于之前的遮阳装置温度下降了3.248℃,对改善路基热稳定性起到了很好的作用,为高原冻土层路基热稳定性能的提升提供了新的思路。
我国作为世界三大冻土国之一,近一半国土含有不同种类的冻土,在油气管道的敷设过程中冻土问题不可避免,因此研究在冻土区敷设的管道十分重要。冻土区管道受温度影响较大,从而对管道力学性能产生影响。因此,借助ANSYS有限元软件,对正温输送的冻土区管道进行数值模拟研究,以便得出冻土区管道应力应变变化规律。首先考察常见的内压对管道的应力影响,然后通过改变管道保温层厚度和正温输送温度等影响因素,考察这几种条件下对管道的最大Von Mises应力和轴向应变影响,所得结论对冻土区管道在输送温度及保温层选择上提供一定依据。
为了确保油气管道在冻土区的安全铺设,采用ANSYS有限元分析法以及理论计算的方法,对冻土区的管道破坏特征进行研究,研究了冻土的冷生构造分类、油气管道失效因素以及管—土相互作用、管道周围冻土温度场,油气管道的纵向温度场的分布等。研究得出:随着深度的增加,各点土层的最低温度逐渐变小,最高温度逐渐变大,符合低温变化规律;不同深度处地温随大气变化情况符合正弦周期变化,而且随着深度增加,各曲线振幅随深度增加,出现衰减。模拟可知,最大压应力发生在距离67.5 m(分界面距右2.5 m处)处的管顶;最大拉应力发生在距离61.5 m(分界面距左3.5 m处)处的管顶。对于不同厚度的冻土,应采取相应措施,避免冻胀与融沉现象的发生,从而更好的指导冻土区管道的设计、施工以及维护。
为解决季节性冻土区路基结构因冻解破损而发生的各种病害,利用地源热泵系统改变路基结构温度场。以109国道青海省季节性冻土区路基为研究实例,运用ANSYS模拟分析109国道季节性冻土区原始温度场,并分析了地源热泵路基的工作原理及运行效果;介绍了地源热泵系统形式及设计计算中的有关问题,得出地源热泵路基系统的设计参数;利用ANSYS有限元法对地源热泵路基的水平埋管进行模拟分析,通过对比分析得出路堤中水平埋管宜分2层布置(-1 m处埋置4根,每管间距为2 m;-3.5 m处埋置5根,每管间距为4 m)。在上述设计方案下,该地区在全年最冷时刻路基易发生冻胀区域的地温超过0℃。通过模拟分析得出,地源热泵路基是一种新型路基结构,该系统对于防治季节性冻土路基冻胀病害具有积极作用。
季节性冻土层在冬季冻结后,场地的动力特性和卓越周期发生改变,季节性冻土场地内的埋地输油管道的地震反应也必将受到影响。分别对埋地管道在不同冻胀条件下的地震反应进行了计算分析。结果表明冻胀条件埋地输油管道的地震响应影响较大,不同季节性冻土场地冻胀条件下管道的设计与施工都应该考虑季节性冻土的冻胀条件的影响。
以大型有限元分析软件ANSYS为平台,建立桩-冻土体相互作用的有限元模型,结合工程实例对多年冻土地区灌注桩基础在横向荷载作用下的位移和应力进行分析,并在此基础上分析桩径、冻土温度对其横向承载力的影响。
详细介绍了ANSYS软件命令流方式在青藏高原多年冻土路基稳定分析中的应用,计算表明命令流方式可极大地提高计算速度,通过对多年冻土路基稳定性计算结果的后处理,得出多年冻土路基稳定性随时间的变化规律,且该变化规律与实测基本一致。