分布式光纤监测技术在地源热泵系统地埋管温度场监测中的应用

建立地源热泵中央空调系统实验模型,对该地区地源热泵系统的换热性能进行试验研究。利用分布式光纤传感测温技术对地温年变化情况进行监测。表明该地区恒温层埋深约为45m,恒温层温度约为18℃。对地源热泵系统进行了冬、夏两季的换热性能研究,结果表明系统的性能与输入水温和地层温差有关,输入水温与地层温差越大,其换热能力也越强。系统夏季的降温幅度在4.5℃以上,冬季升温幅度在2.2℃以上。根据监测结果可知,土体有较强的温度自平衡能力,但在受到扰动后,需要一个相对较长时间的自补偿过程,因此地缘热泵的使用要充分考虑冷暖季的热量平衡。地缘热泵地上部分管线的保温性能对整个系统的热交换能力有显著影响,因此在建立地源热泵系统时要充分考虑地面以上部分管线的保温性能。     

火灾高温下隧道衬砌结构的变形性能研究

为考察隧道衬砌在火灾高温下的变形性能,利用ABAQUS有限元软件建立了HC基准升温曲线下衬砌环的三维分析模型。分析了隧道衬砌结构在火灾高温下的温度场分布规律,以及钢筋混凝土衬砌结构变形情况。研究了地面超载、土体侧压力系数、火灾持续时间、峰值温度及升温速率对变形的影响。结果表明:地面超载较小时,衬砌拱顶随温度升高而接近围岩,反之则远离围岩;拱腰位移随地面超载的增大而不断增大;土体侧压力系数越大,拱顶越向外移动,而拱腰则越向内移动;火灾持续时间越长、峰值温度越高,拱顶越远离围岩,拱腰越靠近围岩;升温速率对衬砌升温初期的变形影响较大,后期影响不显著。     

越江公路盾构隧道浅埋段地温场演化趋势模拟分析

越江公路盾构隧道浅埋段地温场演化将影响隧道穿越的江滩区域的工程地质条件。基于有限差分法建立了南京长江隧道的数值模型,分别将实测地表温度和管片内侧温度作为地层外部交变热源与内部交变热源,对隧道浅埋段典型断面地温场的演化过程进行了模拟分析。结果表明:隧道与土体间的热交换作用使隧道周围的初始恒温地层转变为年变温地层。在高温期,隧道向周围土体传热;在低温期传热方向相反。隧道周围及两孔间存在显著变温区,其最大温升值达7.14℃,年波动最大峰谷值接近10℃。该显著变温区位于距隧道外壁5m以及两孔之间的区域。其地温场在隧道运营20a后可达到初步稳定。建立了该显著变温区内地温场的年际波动模型,据此可估算出隧道周围土体不同距离处的年际温度值,该模型可为火灾等极端传热条件下估算隧道浅埋段地温场提供初始值。     

基于地层⁃注浆体⁃管片协同作用的海底盾构隧道受力研究∗

为研究海底盾构隧道中浆液与围岩及管片的相互作用特性,以厦门地铁2号线海底盾构段为工程背景,采用数值模拟方法和现场实测方法,分析注浆的浆液凝固过程,重点研究浆液的抗压强度、刚度、收缩、蠕变等特性对隧道力学和变形的影响特征,以及不同地层分布、不同隧道埋深下的管片受力特征,并采用流固耦合研究海水位变化对管片受力的影响。计算研究表明:注浆材料的刚度比E1/E28对管片最终轴力和围岩压力影响小,变化幅度不超过0.885%,对地层变形影响相对较大,可通过添加剂调节凝结时间,尽量让浆液早一些凝固硬化;最终收缩应变增大,隧道内力和外侧压力降低,地层沉降增大,建议采用泌水率低的浆液,且其收缩值需控制在较小的范围内;蠕变参数取值对管片轴力影响较小,变化幅度最大不超过1.35%;收缩参数主要考虑注浆材料后期的凝固收缩,蠕变则主要考虑注浆材料前期的蠕变收缩;地层变化及隧道埋深变化对隧道管片受力影响显著,隧道拱顶若软土较厚,则不易形成有效压力拱,导致围岩压力荷载较大;半日潮对地层变形、管片受力的影响不大,总体发展趋势与静水位条件下相似。最后,监测结果表明,数值模拟与实测的管片水土压力时程变化规律基本一致。     

地下水渗流分区的地温特征及隧道热害规避应用

基于热传递微分方程讨论了水流导热影响下地温特征与深度的关系,获得地温、地温梯度与深度关系的解析表达;对渗流影响下的地温特征类型进行分析,提出了通过最小二乘法拟合地温试验数据计算渗流参量、获取渗流特征的方法及程序。并以滇西高黎贡山越岭段为研究对象,基于地温特征对其热水渗流分区进行分析。研究认为,穿越其中的拟选隧道线南北两水热活动区相互独立,黄草坝断裂阻隔了北面热水向南面渗流,判定断裂南面区域一定范围为南部热水的补给地带,越岭拟选隧道线为区内低地温通道,为合理规避隧道热害提供了依据。     

地下水渗流分区的地温特征及隧道热害规避应用北大核心CSCD

基于热传递微分方程讨论了水流导热影响下地温特征与深度的关系,获得地温、地温梯度与深度关系的解析表达;对渗流影响下的地温特征类型进行分析,提出了通过最小二乘法拟合地温试验数据计算渗流参量、获取渗流特征的方法及程序。并以滇西高黎贡山越岭段为研究对象,基于地温特征对其热水渗流分区进行分析。研究认为,穿越其中的拟选隧道线南北两水热活动区相互独立,黄草坝断裂阻隔了北面热水向南面渗流,判定断裂南面区域一定范围为南部热水的补给地带,越岭拟选隧道线为区内低地温通道,为合理规避隧道热害提供了依据。     

基于非线性屈服准则及主应力判据的圆形巷道围岩岩爆过程的数值模拟

鉴于考虑拉伸截断的线性莫尔-库仑屈服准则不能考虑岩石在高应力条件下的非线性屈服特征,根据虎克-布朗本构模型,将上述屈服准则在受压区的线性屈服函数修改为非线性形式。采用3种岩爆的主应力判据,判别圆形巷道开挖之后围岩中各种级别岩爆的分布及演变规律。计算采用"先加载,后挖洞"的方式,岩石服从弹—脆—塑性本构模型。研究发现,发生高级别岩爆的单元数少于发生低级别岩爆的单元数;轻微岩爆区的形态更接近于塑性区及剪切应变增量的高值区。根据巴顿判据,发生重岩爆的单元数较多,而且主要发生的是拉伸岩爆;根据陶振宇判据,发生轻微及中等岩爆的单元数均多于根据谷明成-陶振宇判据判别的结果。上述两种判据判别的结果均表明,在不考虑拉伸岩爆的条件下,只有位于围岩内部的单元才有可能发生高级别的岩爆,而位于巷道表面的单元一般仅发生轻微岩爆。     

浅埋软岩隧道顶板潜在滑移面特征及工程应用

浅埋软岩隧道顶板潜在滑移面的合理确定对于围岩压力计算及支护结构设计极为重要。本文基于隧道开挖诱发地层不均匀变形特征与顶板岩层发生张拉剪切破坏的关系,采用Peck曲线方法和数值方法来确定顶板潜在滑移面特征,进而研究了隧道覆跨比、围岩参数变化对滑移面特性的影响,并应用于实际工程。结果表明:(1)基于Peck曲线和数值分析方法来确定浅埋隧道顶板岩层潜在滑移面的形态与实测结果一致;(2)浅埋隧道顶板岩层的等效破裂角仅在围岩黏聚强度较低条件下才符合45°+φ/2,围岩级别越好,破坏范围越小,滑移面形态呈平缓的"S"型;围岩越差,破坏范围越大,滑移面形态呈竖直的"椭圆"型。随着隧道覆跨比、侧压力系数及抗剪强度指标的增大,等效破裂角呈减小趋势。地表开裂点随着覆跨比和侧压力系数增大而逐渐远离隧道轴线,随着岩体强度指标的增大而逐渐向隧道轴线迁移。     

通风不良室内火蔓延行为的大涡模拟

通风不良的建筑物室内发生的火灾具有很大的危害性.采用湍流大涡模拟方法,研究了通风不良室内火灾的烟气运动与火蔓延行为,得到了室内烟气温度、组分浓度、压力和速度等随时间的变化.在通风良好的条件下,计算得到的时均稳态的烟气温度与氧气浓度分布与实验相符合.在通风不良的条件下,模拟得到的烟气瞬时温度随时间的变化也与实验基本相符合,预报出了当氧气浓度消耗到较低程度时,火焰脱离壁面向通风口处移动的现象.     

考虑燃烧作用的隧道火灾三维数学模型

采用预设概率密度函数模型考虑燃烧的过程，构建了一种描述隧道火灾过程中燃油燃烧、烟气流动和传热的三维数学模型。应用该模型模拟了台缙高速公路苍岭特长隧道在释热率为50MW、风速分别为0～2m／s条件下的火灾过程，并通过室内模型燃烧试验验证了其有效性。与相同条件下热源模型计算结果的比较表明：无论通风条件如何，燃烧释放的大量烟气均会在火源上方形成一高速烟流区，而热源模型由于忽略了燃烧过程，在风速≥1m／s的条件下将无法刻画出该区域。高速烟流区抑制了纵向风流与高温烟流的混合，控制着火源近区的流场结构，是造成烟气回流和分层运动现象的主要因素之一。     

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。     

考虑上覆岩层压力的深部岩体块系介质超低摩擦效应理论分析

深部开采条件下,岩体块系介质超低摩擦效应与深部岩体动力灾害密切相关。基于我国矿山深部开采的实际情况,建立了法向荷载冲击作用下,考虑上覆岩层压力的深部岩体块系介质模型,理论推导了含岩层深度参数h的块体运动函数和位移时间函数的解析表达式,据此给出了地下800m煤系地层,岩体超低摩擦效应发生的最大载荷降速率为1.06×105N/s,岩体法向荷载波动周期为0.1 s。研究结果表明:随着岩体法向荷载的显著波动,岩体相对压紧程度趋于减弱,岩体超低摩擦效应易于触发,载荷降速率急剧增大,这可以作为岩体超低摩擦效应的重要表征指标之一。     

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。     

隧道结构与围岩土体三维地震反应分析

基于有限元分析软件ABAQUS平台,编制材料本构模型子程序UMAT,采用粘弹性人工边界条件模拟能量开放系统的边界,利用二次开发后的ABAQUS软件,模拟了隧道与围岩系统的三维地震反应,对比分析了不同入射角度下隧道结构与围岩土体的地震反应规律。分析结果表明,在地震荷载作用下,土体产生了不可恢复的塑性变形,主要表现为地表沉降;在斜入射条件下,随着入射角的增大,地表沉降显著增大,且沉降最终趋于稳定的时间有延长的趋势;均质地层中的大跨度长距离隧道结构,其横向地震反应受入射角的影响较大,表现为随着入射角的增大,结构的竖向沉降以及Mises应力显著增大;其纵向地震反应受入射角的影响不大。     

冷-热循环下能量桩热-力学特性的数值模拟

能量桩与地基土的热交换取决于建筑物的年能源需求,故能量桩每年受到冷-热循环作用。采用多场耦合有限元数值模拟方法,研究在力学荷载和随时间按正弦函数变化的温度荷载共同作用下悬浮能量桩的热-力学特性。结果表明,随着能量桩冷-热周期性的循环,温度荷载引起的桩身附加轴向应力、桩头附加竖向位移和桩侧附加剪应力也随时间周期性变化,且相位与温度荷载曲线的相位相同。桩升温最大时桩身轴向压应力达到最大值,桩降温最大时桩头沉降达到最大值。地基土的温度改变量随时间周期性地变化,其幅值在桩的中部深度附近最大,在桩二端深度附近较小。地基土温度的变化滞后于温度荷载。离桩越远,地基土的温度达到其最大值的时间越滞后。     

火灾下约束钢柱临界温度的简化计算方法

在火灾条件下,约束钢柱轴力由于升温而增加,会导致在较低的温度下发生屈曲;但屈曲后,钢柱的轴向温度膨胀得到释放,轴力下降,因此屈曲后钢柱仍能继续承栽。本文通过计算长度系数将转动约束钢柱转换为铰支钢柱,给出了一种轴向约束钢柱在火灾升温条件下的临界温度的简化计算方法——轴力放大系数设计方法。此法通过轴力放大系数将轴向约束钢柱转化为无约束钢柱,再按无约束钢柱计算得到钢柱的临界温度。用验证过的有限元模型对简化计算方法进行了验证,计算结果表明简化方法吻合较好。     

季节冻土区吉图珲高铁东兴膨胀岩隧道保温防冻方法及分析

隧道冻害与围岩中温度分布密切相关,因此掌握隧道围岩温度分布规律是防止隧道冻害的关键。以我国季节冻土区隧道建设发展为应用背景,依托于正在建设中的吉图珲高铁东兴膨胀岩隧道,结合东兴隧道特殊的工程地质与水文地质条件,在传统防冻方法基础上提出了一种改良的保温防冻新方法。通过监测施工期整个冻融循环过程中衬砌—围岩温度场,对比分析了传统防冻方法与改良防冻方法作用下围岩温度场的分布和变化规律。应用数值模拟方法,建立了东兴隧道衬砌—围岩温度场有限元模型,通过现场监测结果验证模型的有效性。进一步结合延吉地区东兴隧道当地气温预测运营期膨胀岩隧道围岩温度场分布,研究表明:运营期改良防冻方法比传统防冻方法具有更好的保温防寒作用。该研究可以作为季冻区隧道冻害防治措施的重要参考依据。     

非均匀温度场中的单桩内力响应模型试验研究

浅层地温能开发利用在建筑地基中形成非均匀温度场,使桩基两侧的温度存在差异,并处于动态变化过程中,温差可能造成桩身产生弯曲变形。采用室内模型试验,构建非均匀温度场,研究在温度平衡过程中,土体温度场、桩身温度以及桩两侧应变的变化,分析非均匀温度场对桩身内力的影响。根据桩两侧的FBG应变分布可知,非均匀温度场会使桩身产生弯曲变形,沿深度桩身弯矩的分布与桩两侧的温差有关。因此,在应用地下能源结构或地源热泵开发利用浅层地温能时,应考虑非均匀温度场对结构内力的影响,开展相关研究对于揭示桩体内力的变化具有重要意义。     

非均质地基中V-T联合受荷桩承载力分析

为探讨非均质地基中V-T联合受荷桩的承载特性,考虑地面处桩周土体剪切模量为非零值且随深度呈幂函数分布,计入桩-土接触面处位移非协调性及加载顺序的影响,基于剪切位移法和桩身荷载传递函数建立桩身位移控制方程,并引入相应力和位移边界条件,导出桩周土体在不同受力状态下桩身的内力位移解析解,进而推导出不同加载顺序下V-T联合受荷桩的承载力,从而得到其承载力包络图。V-T联合受荷桩参数分析结果表明:桩身承载力随长径比L/D增大而增大,而随桩侧土体剪切模量与极限摩阻力分布常数比n、桩土弹性模量比λ增大而减小;桩顶所受扭矩T不断增大时,其能承受的竖向力V随之变小并最终趋于零,且T→V承载力包络线始终处于V→T承载力包络线内侧。     

不同轴压/侧压下逐步开挖马蹄形巷道围岩分区破裂化数值模拟

基于空间局部化视角研究分区破裂化的发生机制。采用三维非均质应变软化模型,在逐步开挖和不同轴压与侧压之比条件下研究了马蹄形（U形）巷道围岩不同剖面和测线上剪切应变增量的分布特征。结果表明：U形巷道围岩的分区破裂化呈圆环形;分区破裂化可出在现掌子面的前、后方;在掌子面前方,随着远离掌子面,分区破裂化有所减弱,直至消失;轴压与侧压之比越大,分区破裂化越明显;在垂直于巷道轴线的不同平面上,分区破裂化有所不同,这与不同剪切带的特征不同及发育不同有关;共轭剪切带的出现,会使分区破裂化变得复杂。启动于巷道表面的空间圆锥剪切面的充分发展产生了分区破裂化。