外置双U型静钻根植工法能源桩换热性能研究∗

为探究外置双U型静钻根植工法能源桩换热性能,通过现场热响应试验,利用热源理论初步分析其岩土综合导热系数,建立三维传热数值模型并进行验证。利用三维传热数值模型分析换热管间距及其导热系数、换热液流速和桩周水泥土导热系数等因素对该新型桩换热性能的影响。分析结果表明,试桩区域岩土综合导热系数为1.64W(m·K)-1。提高换热管间距、换热管导热系数、换热液流速和桩周水泥土导热系数均能提高能源桩的换热性能,但当换热管间距大于0.25 m,换热液流速达到紊流态,换热管和桩周水泥土导热系数高于岩土综合导热系数后,提高上述参数对能源桩换热性能的提高贡献不大。     

复合填料热传导过程数值模拟

复合填料由废铸砂、粉煤灰、聚苯乙烯(EPS)颗粒、水泥和水按一定质量比例混合制成,具有低导热性、抗冻胀和轻质特性。根据热阻力法则和比等效导热系数相等法则,将材料视为由大量正方形单元体组成,其中心为一个球形EPS颗粒,这种单元体与总体的导热系数相等。运用AN SY S软件对复合填料单元体的传热过程进行了有限元模拟,根据瞬态法导热系数测试原理,推求不同EPS掺入比情况下的复合填料导热系数,分析EPS颗粒与导热系数的关系,发现材料导热系数随着EPS掺入比的增加而快速降低。将材料导热系数数值模拟与实测结果作比较,发现有限元模拟值与实测值接近,说明采用有限元方法可以实现对材料传热过程的模拟。     

基于浅层地热能的寒区隧道排水沟-保温防冻可行性研究

寒区隧道冻害问题严重影响隧道的正常运营和结构安全。以西宁—成都高速铁路寒区特长隧道洞口排水沟的保温为背景,首先使用COMSOL有限元软件建立了寒区隧道水沟保温的二维分析模型,结合西宁气象数据分析洞口排水沟保温的供暖负荷;然后考虑将热交换管埋设在仰拱中利用浅层地热能,建立三维模型对隧道仰拱埋管换热器进行设计,并对埋管间距、进水温度、围岩导热系数等进行参数分析。研究结果表明,一定条件下,能源隧道可用于寒区隧道洞口排水沟的保温和防冻。     

考虑桩身热容的能量桩传热性能分析

与传统垂直钻孔地埋热交换器相比,能量桩桩径较大,需考虑桩身热容对能量桩传热的影响。利用无限长线热源模型与无限长桩热源模型的解析解对不同桩身热容的能量桩在饱和黏土中的传热过程进行对比计算,分析桩身热容对能量桩传热性能的影响。当桩身为混凝土时,不同粗集料引起的热容差异对能量桩传热初期造成影响,桩径是影响能量桩传热的主要因素之一,而混凝土桩与钢桩的热容差异对能量桩传热的影响较大。分析表明,整个传热过程分为两个阶段,初期热源向桩内外传递的比例取决于桩身和桩周物质热扩散系数的相对值,桩身的热扩散系数相对越大,向桩内传递热量越快,桩外过余温度越低;当桩内温度达到均衡时,向桩内传递的热量取决于桩面处土体的温度以及桩身的热容。对于第一阶段,桩热源模型比线热源模型更能精细地描述能量桩的传热性能;对于第二阶段,两种模型的计算结果差别很小。     

大断面隧道软弱围岩-支护系统稳定性分析

采用室内试验研究手段获得隧道围岩力学特性,以Mohr-Coulomb弹塑性模型及应变软化模型为基础,采用FLAC3D数值模拟软件,构建三维数值模型,计算深埋隧道围岩特征曲线及纵剖面变形曲线,并对隧道围岩及支护结构安全性进行评价。结果表明:采用弹塑性模型计算所得的隧道围岩安全系数低于应变软化模型所得的安全系数,表明采用弹塑性模型进行支护结构设计时,支护结构安全性较低,设计中可能会增加支护材料费用,而考虑应变软化条件下的围岩安全系数更加接近于工程实际;采用极限应变值或支护结构极限承载压力所获得的围岩—支护系统安全系数较为接近,说明两种方法的差异较小,均可用于隧道围岩支护结构优化设计,采用收敛—约束法计算隧道安全稳定性更加直观,对工程实际具有一定指导作用。     

大断面隧道软弱围岩-支护系统稳定性分析北大核心CSCD

采用室内试验研究手段获得隧道围岩力学特性,以Mohr-Coulomb弹塑性模型及应变软化模型为基础,采用FLAC3D数值模拟软件,构建三维数值模型,计算深埋隧道围岩特征曲线及纵剖面变形曲线,并对隧道围岩及支护结构安全性进行评价。结果表明:采用弹塑性模型计算所得的隧道围岩安全系数低于应变软化模型所得的安全系数,表明采用弹塑性模型进行支护结构设计时,支护结构安全性较低,设计中可能会增加支护材料费用,而考虑应变软化条件下的围岩安全系数更加接近于工程实际;采用极限应变值或支护结构极限承载压力所获得的围岩—支护系统安全系数较为接近,说明两种方法的差异较小,均可用于隧道围岩支护结构优化设计,采用收敛—约束法计算隧道安全稳定性更加直观,对工程实际具有一定指导作用。     

大型地下厂房围岩三维粘弹塑性数值模拟

目前,地下工程围岩尤其是大型岩石地下工程围岩的粘弹塑性分析研究少见报道。针对这种情况,本文根据西原粘弹塑性流变模型相关理论开发了hhu-vp流变计算软件,以用于大型岩石地下工程围岩粘弹塑性流变数值模拟分析;并以一简单算例与软件FLAC-3D比较,结果偏差在容许范围内。将其应用于水布垭大型地下洞室围岩流变研究中,对该地下洞室的施工开挖及支护处理过程进行了模拟,提出了支护处理意见,并对其运营期的长期稳定性作出了评价。     

基于DTS技术的多层土有效导热系数测量方法

岩土体的导热系数是开发和利用地热能的重要参数。通过室内热响应模型试验,采用分布式温度传感技术(Distributed Temperature Sensing,DTS),连续测得多层土模型饱和状态下4种常见土在试验中的有效导热系数分布和大小,分析了渗流对土有效导热系数的影响,并利用GeoStudio有限元软件对不同类型土的有效导热系数进行了模拟计算。试验和数值计算结果均表明:4种饱和土中有渗流的砂土的有效导热系数最大,无渗流砂土次之,粉土小于无渗流砂土,粘土小于粉土,有机质土的最小;渗流对砂土有效导热系数的结果影响显著,使有效导热系数增大了6倍。本试验采用DTS测试土的有效导热系数的方法可用于现场试验,所得结论为地热能开发和地源热泵设计提供了重要依据。     

湿热老化后膨胀型钢结构防火涂层导热系数数值计算

通过对已有多孔材料导热系数计算模型的总结和分析,提出了湿热老化后膨胀型钢结构防火涂层导热系数的计算模型。为考察该模型的计算精度,进行了湿热老化试验及隔热性能试验,测量涂层膨胀倍率、炭化层泡孔尺寸和钢板温度等数据。结果显示,湿热老化后炭化层泡孔尺寸增大导致涂层导热系数增大,隔热性能下降,钢板温度上升。利用本文试验测量数据(泡孔尺寸)计算炭化层导热系数,再根据炭化层导热系数的数值计算结果分析钢板温度,并将钢板温度的计算结果与试验结果进行对比,两者吻合良好,验证了膨胀型防火涂层导热系数计算模型的适用性。     

山岭隧道衬砌‑减震层体系动力响应研究∗

为了探寻隧道设置减震层时影响减震层减震性能的关键因素,建立了设置减震层的隧道有限元数值模型,将数值模型与振动台试验进行对比,验证了数值模型的可靠性。改变减震层设计参数和围岩条件,通过对隧道结构的主应变、相对变形率以及围岩的塑性区进行分析,研究不同参数条件下减震层的减震效果。结果表明：设置减震层后隧道加速度响应的传递函数在15~30 Hz 频段范围内减小,说明减震层通过吸收地震波中的高频成分,减小地震波能量向隧道的传递,进而减小隧道的地震响应。参数分析结果表明：减震层弹性模量越小厚度越大,减震层的减震效果越加明显,但隧道结构的相对变形率也随之上升。相比于增加减震层厚度,降低减震层弹性模量对减震效果的提升更为显著。在坚硬围岩中的设置减震层相比于软弱围岩减震效果更显著。     

深埋岩溶隧道掌子面突水灾害可靠性上限分析∗

旨在研究高地应力、高压富水条件下深埋岩溶隧道掌子面突水灾害的可靠性问题。基于已有研究成果,考虑高地应力以及高压富水地质条件,采用极限分析上限法构建了以剪切破坏为主的深埋岩溶隧道掌子面三维防突机制。根据虚功率原理建立突水破坏过程中的能量方程,利用Hoek-Brown 强度准则求解了高地应力以及高压富水条件下防止掌子面突水所需要的支护力上限解。在极限破坏状态下,根据掌子面上施加的支护力与突水破坏时的围岩压力构建极限状态方程,建立了深埋岩溶隧道掌子面防突可靠度模型,并采用响应面法计算了掌子面发生突水灾害的失效概率。分析了水平地应力、溶腔水压力、岩体强度参数以及隧道洞径对支护力、潜在破坏长度的影响规律,给出了满足不同容许失效概率下深埋岩溶隧道预防突水灾害所需要的最小支护力以及在有限支护效应下能抵抗的最大破坏长度。将研究成果应用于实际工程案例中,与已有研究、现场结果相比较,验证了本文计算结果的有效性,可为今后类似深埋岩溶隧道的防突问题提供理论指导和参考。     

发电机定子冷却水管路堵塞的原因分析及处理

利用FLAC模拟了不同岩石峰后脆性条件下圆形巷道围岩的破坏区分布及能量释放规律。在计算中,采用了应变软化本构关系及"先加载,后挖洞"方式。模拟结果表明,随着峰后脆性的增加,围岩中发生破坏的单元变多,释放的弹性应变能总量增加,巷道围岩越来越难于再次达到平衡状态;尽管在一些算例中出现了沿环向发展的破坏区,但是不认为这与分区破裂化现象有关;难于采用二维的滑移线或破坏特征线解释分区破裂化现象。围岩分区破裂化现象的研究可从三维连续介质模型的空间局部化视角出发,亦可从二维颗粒体模型的颗粒相互作用机制视角出发,这两种思路都引入了二维连续介质模型中不具备的因素。     

破碎带对地下坑道动力响应影响的数值分析

为了研究破碎带的耗能作用及其对坑道结构动力响应的影响,根据某工程实例,建立了地冲击波作用下类岩体中坑道结构响应的计算模型,利用LS-DYNA3D有限元软件,分别计算了无破碎带和存在破碎带情况下坑道结构的动力响应。计算结果的对比分析表明,顶部破碎带使结构的加速度和位移等运动参数有不同程度的降低,但对结构所受到的应力影响不大;与之相反,侧部破碎带的存在使结构的加速度和位移等运动参数明显地增大。与顶部存在破碎带情况相比,侧部存在破碎带情况下坑道结构运动参数的峰值更大,对坑道结构安全更为不利。     

结构面分布特征对隧道围岩变形影响的数值模拟分析

结构面对隧道围岩变形及稳定性起着决定性作用。运用三维离散元方法(3DEC)研究结构面分布特征,重点是结构面线密度1/λ、强度和倾角对隧道围岩变形的影响,总结了结构面分布与围岩变形特征的关系。结果表明,在结构面强度较低的情况下,结构面线密度对隧道变形的影响较大,其影响可分为两种情况:①λ≤0.2时,围岩的弯曲变形大于沿结构面的剪切变形,属于应力型大变形;②0.2<λ≤0.4时,沿结构面的剪切变形大于围岩的弯曲变形,属于结构型大变形。结构面倾角主要影响围岩大变形发生的位置。将数值模拟结果与国内工程实例实测变形资料相对比,发现一致性较好。本研究结果对隧道支护结构的设计以及施工设计具有借鉴意义与指导作用。     

基于离散元法的能源管传热过程模拟

采用自主研发的离散元软件MatDEM,依据能源管桩的现场热响应试验,提出了能源桩离散元数值模拟的建模方法,对能源管桩的热响应试验过程进行了模拟研究,得到了桩周土体的位移分布,桩芯和桩周土体的温度分布,通过与现场实测数据的对比,验证了利用离散元法研究能源桩换热性能的有效性,该方法在研究能源桩与土体的热-力学行为特征方面具有广阔的应用前景。     

岩溶地区双连拱隧道超前地质预报及施工技术研究

岩溶地区修建双连拱隧道难度较大,岩溶探测、支护方式选择等成为施工的关键问题。依托广西宜河高速公路某连拱隧道,根据围岩等级分别制定Ⅲ级、Ⅴ级围岩施工和支护方案,施工期间采用超前地质雷达探测隧道掌子面前方未开挖岩体,通过分析雷达反射波波形图,预测隧道中导洞存在4处溶洞,隧道开挖过程中揭露了3处溶洞,与地质雷达探测结果基本一致,证明了超前地质雷达的可靠性和重要性。针对溶洞地段采用Ⅴ级岩体支护方案,即采用套拱进行溶腔的加固处理,监测数据显示其变形基本值为0,表明该加固处理方法的可靠性。     

不同埋管形式的预制能量管桩热响应试验研究

能量桩是通过在传统桩基础内安装换热管的新型节能减排技术。通过在PHC桩芯内埋设换热管形成预制能量管桩。现场采用单U和双U热响应试验,利用分布式光纤传感技术,对桩身的温度和应变分布进行了监测,得到了试验过程中能量桩的温度和应变变化规律;发现换热初期热量会堆积在能量桩内无法快速传递到桩外,整个过程桩体升温幅度不大,热量传递效率较低;揭示了预制能量管桩的热、力学变化特征,为预制能量管桩的优化设计和换热能力的评价提供了依据。