环境温度及含水率对土体温度场影响研究

通过模型试验和数值模拟的方法,研究了环境温度和土体含水率对冻土温度场的影响。结果表明：冻结过程中土体内温度场变化只表现为降温阶段、平稳变化阶段及再降温阶段,过冷阶段表现不明显;环境温度变化对降温阶段影响较小,对平稳变化阶段和再降温阶段影响较大,环境温度越低,平稳变化阶段持续时间越长,再降温阶段同一时刻同一深度处温度越低;含水率的变化对土体内温度场的影响在降温阶段较小,对平稳变化阶段和再降温阶段影响相对较大,含水率越大,平稳变化阶段持续时间越短,再降温阶段同一时刻同一深度处温度越低;且模型试验得到的冻土温度场变化规律与数值模拟结果基本一致。研究结果可为冻土地区工程建设及对冻土的进一步研究提供参考。     

回填土钻孔灌注桩-承台混凝土水化作用效应现场试验

混凝土早期水化作用释放大量热量,会引起桩身温度和桩身应力变化,从而影响桩基承载性能。通过开展现场试验,研究回填土地基中钻孔灌注桩-承台混凝土水化热对桩身及桩基周围土体的影响,实测并分析了桩身及桩基周围土体温度随时间、深度的变化规律和桩基应力随时间的变化规律。研究结果表明,试桩混凝土浇筑完成后,0.7 d时桩体不同深度处的温度均达到最大值,21.4d时其温度基本稳定;桩体温度随时间变化规律可分为快速上升、快速下降、缓慢降低和基本稳定4个阶段。承台混凝土水化热效应仅对桩基周围浅层土体温度有一定影响,当深度大于3 m时,其对土体的温度作用效应基本可以忽略。桩基约束应力变化表现为先迅速增长再缓慢下降最终趋于稳定,最大约束应力值与混凝土轴心抗拉强度十分接近。     

温度作用下膨胀土的胀缩特性及微观机理北大核心CSCD

温度场作为外部环境要素场之一,对膨胀土的水-力学性质具有显著影响。为研究温度对膨胀土胀缩特性的影响规律及微观机理,以南宁膨胀土为对象,开展了不同温度(5~45℃)下膨胀土的浸水膨胀和失水收缩试验,结果表明膨胀土的胀缩特性具有显著的温度效应,其膨胀率随温度升高而增大,温度越高其增大效果越明显;收缩率随温度升高则呈现出先增大后减小的变化规律,存在临界温度“T_(c)=35℃”。在此基础上,基于不同温度(5~45℃)下的吸附结合水试验,从土-水作用角度阐释了膨胀土胀缩特性温度效应的微观机理;随着温度的升高,土中结合水量减小,水膜厚度变薄,从而引起两方面的结果:①土颗粒间的吸力减弱而斥力增加,宏观表现为土体的膨胀性增加;②土颗粒间距变小,促进了土颗粒骨架由松散状态向紧密状态转化,颗粒排列更紧密,收缩性增加,而达到一定温度后,水分蒸发时间较短,土-水作用加剧使得土体骨架没有充足的时间向紧密状态转化,是造成土体收缩性减小的主要原因。     

基于离散元法的温度静力触探贯入与传热研究北大核心CSCD

温度静力触探是一种新型原位测试方法,可同时获取土体的力学和热学参数,为浅层地温能资源勘查提供技术保障。为研究温度静力触探的贯入与传热机理,通过离散元数值模拟实现了离散元模型的建立和试样的力学和热学参数标定。研究分析了贯入过程中的贯入阻力变化、土体应力场、位移场及位移路径;获得了加热-散热过程中探头加热段与隔热段的温度响应规律以及土体温度场演化,并与室内模型试验进行了对比分析。采集的温度变化曲线通过数据解译反演得到了土体的导热系数,为温度静力触探的贯入-传热机理研究及工程应用奠定了理论依据。研究结果表明:贯入过程中,贯入阻力随深度的增加而增加,且土体颗粒位移范围在距锥身B/2内;传热过程中,探头加热60 s,加热段实现了5.5℃的升温;在加热和散热的初期,探头的温度变化最快,与实验结果相同;利用探头散热温度所反演导热系数为0.330 W/(m·K),误差为6.5%,优于加热数据反演结果。     

基于Ventsim的井下火灾模拟研究

井下事故中矿井火灾是最严重的事故类型之一。为更好地控制火灾时期风流的扩散以及相关应急预案的制定,利用Ventsim可视化通风软件建立金属矿山通风系统三维模型。研究结果表明:相同燃烧环境下,不同材料燃烧产生的CO浓度呈现相同变化趋势:先增加后减少,然后增加至最大值,最后减小并趋近零。橡胶、柴油、干木柴燃烧释放的CO浓度最高约至13003、12742、8779ppm,可见橡胶产生的CO浓度明显高于柴油和木柴;热释放量方面,柴油燃烧释放的热量最高约至26500kW,明显高于木柴和橡胶;距离火源不同地点热和CO随时间变化规律不同,其中与回风巷直接相连的巷道因热膨胀等因素造成风流逆向,其CO气体在火灾中期出现浓度趋近于零的现象。     

桩端约束对桩身热力学特性影响的模拟分析

能量桩是一种在传递上部建筑荷载的同时承担地热能源传热器作用的新技术。实际运行过程中,桩身温度发生变化导致桩体膨胀或收缩;桩周及桩端土体对桩身的自由膨胀约束作用,使桩体内会产生附加应力。基于模型试验和数值模拟方法,开展冷-热温度循环荷载作用下桩基在不同桩端约束条件下的桩身应力和位移特性研究。结果表明,温度荷载作用下桩体最大应力出现在桩身中部;加热阶段桩端约束对桩身应力分布影响比制冷时大;桩身位移变化规律受温度与桩端约束的共同影响,温度变化量增加,桩身上部位移变化量变大,下部位移受影响较小。     

泄漏工况下的LNG外罐温度场仿真研究

为研究LNG储罐泄漏后外罐温度场的变化,以16万m3LNG预应力混凝土全容式储罐为研究对象。借助有限元软件ANSYS下的FLUENT建立了储罐的保温层和外罐壁的二维平面模型。考虑储罐内液体动态泄漏过程中和泄漏完成后超低温液体对混凝土外罐的影响,对储罐的温度场进行了模拟分析。分析表明,泄漏后不同高度外罐壁温度变化与泄漏孔位置和孔洞大小有极大的关联。外罐壁温度先降低,后升高,最后达到平衡。在热保护角的作用下,底部外罐壁温度变化明显减小。在热保护角高度范围内,混凝土外罐壁在高度方向上存在温度梯度,温度从底部向上逐渐减小。     

粘土矿物组成对土体液化特性的影响研究进展

土体液化是地球表面众多地质灾害和工程灾害发生的关键机制,而土体中粘土矿物的含量和矿物学性质对土体液化特性影响明显。本文通过系统分析国内外粘土矿物类型及其组成变化和粘土矿物与孔隙溶液之间的相互作用这两个方面对土体液化特性影响的研究成果,发现当前研究中存在着循环、静态液化研究程度不匹配,孔隙水性质与粘土矿物之间的相互作用对土体液化特性的影响规律和机制的研究不足等问题,并指出研究粘土矿物与土体液化之间的关系可能有助于提高地质灾害监测与预警水平。     

喷水灭火过程中足尺钢框架房屋温度场试验研究∗

喷水灭火行为引起的火场局部温度骤降,有可能引起房屋结构破坏。为研究火灾及消防过程中温度场的分布和变化情况,设计建造了足尺钢框架房屋,根据实际火灾及消防场景设计火灾荷载和消防系统,模拟了真实火灾下窗户玻璃破碎和喷水灭火对火灾温度场的影响。试验过程中利用热电偶测量火灾及消防全过程的火场温度,得到了火场中不同位置的温度变化曲线。根据试验结果,并结合火灾动力学分析了火场温度的空间分布和变化规律。研究表明:火灾过程中,火场在垂直方向上存在明显的温度梯度,空气温度随高度增加而升高;框架平面沿水平方向越靠近起火点,升温速率越快,能达到的最高温度越高,垂直方向温度梯度越大;玻璃破碎增大了通风口面积,对通风控制型火灾的温度场有显著影响,靠近通风口处温度略有降低,而远离通风口的火场纵深处温度大幅上升;消防喷水能迅速抑制火场燃烧,降低火场温度,降温速率随喷水灭火时间增长而减小;开始灭火的短时间内,火源附近温度骤降,降温速率最高达到391℃/min。     

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。     

多次冻融循环人工盐渍土路基模型试验研究∗

青藏铁路西宁至格尔木段为典型的季节性冻土区铁路,冻害频发,严重影响铁路的正常使用和安全运营,为了整治路基体发生冻害,结合成熟的注浆技术和传统撒盐法,提出注盐法整治路基冻害。在室内模型箱中填筑实体模型,进行封闭系统中多次冻融循环条件下人工盐渍土路基模型试验,探究人工盐渍土路基中温度、水分、盐分以及变形规律,验证注盐法整治路基冻害的可行性。试验结果表明：路基土体内温度变化趋势符合环境温度变化趋势的余弦函数变化波动规律,土体内温度变化较环境温度变化推迟36 h左右;温度梯度是引起水分迁移的主要因素,越接近冷端,迁移量越大,在冻结锋面处达到最大;在封闭系统中,盐分随着水分向冷端运移,但是盐分运移量较低,随着周期的推进,盐分呈逐渐降低的趋势;随着温度的周期性变化路基顶面的变形呈现出有规律的冻胀和融沉现象,但是最大冻胀量为0.08 mm,可见路基盐化之后路基土体基本不产生冻胀变形。     

自适应时间步长法在土体冻结水热耦合模型中的应用

由于相变的存在,土体冻结过程中的温度传导与水分迁移是一个复杂的物理过程。为了更好地描述冻结过程中水分与温度的变化规律,通过对不饱和土体水分传导方程的研究,考虑冻结过程中的相变,建立了一维冻土水热耦合模型。给出了相应的差分与有限元程序,并对室内冻结实验进行了模拟。提出误差因子的概念,通过对程序计算中时间步长与计算用时、误差关系的分析,论证了进行时间步长优化的必要性。在两种不同数值方法的对比中,体现了有限元计算的稳定性。提出了调整后的自适应时间步长计算方法。计算结果表明,优化时间步的自适应步长法,在不影响模型计算准确度的前提下,可以大幅减少计算用时,提高计算效率。     

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。     

黄土洞穴发育条件下滑坡土体性质及其稳定性分析

黄土洞穴作为黄土高原区独特的地形地貌,其发生与滑坡特征密切相关,洞穴的发育和演化又受到土性、地层结构等因素影响。本文通过野外调查,在黄土洞穴群诱发的黄土滑坡上选择典型剖面进行室内外实验,分析了黄土洞穴发育条件下滑坡土体的物理力学性质,运用数值模拟探究了黄土洞穴对边坡稳定性影响。研究结果表明:1)北郭村滑坡洞穴区域土体的容重、抗剪强度大于非黄土洞穴区域,孔隙率小于非黄土洞穴区域;滑带土容重最大,孔隙率最小,抗剪强度最低。滑坡发生不久,滑坡体土为扰动土,各项土体参数尚不稳定;洞穴区域土体沉积时间久,土体性质稳定;滑带土各项土体参数与前两者相差较大。2)研究区饱和导水率为0.2mm/min-1.3mm/min,滑坡后缘(洞穴区域)土体渗透系数小于滑坡体土(非洞穴区域)的渗透系数,孔隙率是影响入渗的主要因素;在滑坡后缘,黄土洞穴的渗透系数小于农田,有机质是影响入渗的主要因素。3)北郭村滑坡自然状态下稳定系数为0.7936,属于不稳定状态;洞穴状态下稳定系数0.7291,洞穴的存在降低了边坡的稳定性。     

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。     

钢管混凝土叠合柱温度场试验研究

研究了ISO-834标准火灾作用下钢管混凝土叠合柱的温度场。完成了8根叠合柱的火灾试验,考虑因素包括试件截面尺寸、截面类型和含管率。建立了有限元模型,并对试验结果进行参数分析。以方形截面叠合柱为例,分析了火灾时间、受火方式、截面尺寸、长细比、含管率、纵筋配筋率等参数变化对截面温度场的影响规律。火灾时间相同情况下,试验结果表明:(1)含管率相同时,截面尺寸越大,柱内温度越低;(2)截面尺寸相同时,含管率的变化对柱内温度场影响较小;(3)方形截面柱的边长和圆形截面柱的直径相同时,方形截面柱内温度低于圆形截面柱内温度。有限元模型模拟结果表明:火灾时间、截面尺寸和受火方式是影响叠合柱温度场分布的主要因素。     

LNG储罐低温泄漏实验

本实验以1 200 mm×8 00 mm×2 000 mm预应力实验结构为研究对象,制成500 mm×250 mm×2 000 mm的304白钢内罐,通过连续注入-196℃液氮,采用实验和ANSYS Workbench软件仿真模拟两种方法,获得动态泄漏过程温度场和应力场分布,探寻温度场和应力场分布变化规律。结果表明:在整个泄漏实验过程中混凝土结构温度先略有上升,随后温度迅速降低至平衡,待储罐低温液体挥发后温度极其缓慢回升至原温度场;在数值仿真分析中,随着储罐内泄漏液面不断升高,实验混凝土结构温度场温度迅速降低,等效应力场急速增大;低温液体泄漏液面升高时,混凝土结构温度与混凝土测点距储罐水平距离呈五次多项式定量关系。     

寒区土体一维水-热-力耦合模型与数值分析

寒区土体的冻胀融沉特性对结构物稳定带来极大挑战,冻土冻融作用机理的研究对寒区冻融灾害预防具有极其重大的意义。文中通过质量守恒定律以及能量守恒定律建立寒区一维土柱水分场、温度场数值模型,考虑冰水相变引起土体内部应力变化以建立应力场。构建一维非饱和土柱水热力耦合模型,通过与已有研究比对以验证三场耦合数值模型的准确性。研究表明：冻结锋面随冻结时间不断下移。在冻结初期,冻结锋面下移速度较快,在冻结后期冻结速度变缓,且土柱内温度成近似线性分布趋势。土柱内水分场在冻结锋面处出现明显的S形曲线。在冻结条件下,土柱发生竖向的冻胀变形,模拟结果与已有试验数据吻合良好,验证了该模型的合理性以及准确性。     

饱和‑非饱和土一维大变形固结模型∗

基于分段线性差分法,建立了一种饱和?非饱和土一维非线性大变形固结模型 UCS2。该模型可考虑土体初始饱和度随深度变化,可分析不同地下水位深度的土体大变形固结问题,并编制了 Fortran 计算程序。采用现有数值解对该模型进行了验证,UCS2 模型分别在饱和与非饱和情况下与现有数值解吻合。开展了大变形算例分析,对比了固结前后孔隙比、饱和度、孔隙水压的变化规律,探讨了地下水位深度及非饱和参数对土体固结沉降的影响。     

混合土物理性质试验研究∗

土体的物理性质与力学性状之间存在一定的联系,研究不同混合比例的混合土的物理性状变化,对于快速测定混合土体的力学参数有很大的帮助.通过对两种原始黏土及人工配制的五种不同混合比例的混合土的物理性质进行研究,探讨混合土的颗粒粒径分布、土粒密度、液限以及塑性指数随混合比例的变化规律.研究结果表明:原始土的性质对混合土体的基本物理性质产生重要的影响.混合土的颗粒粒径分布和土粒密度按混合比例成比例的发生变化,随着混合土中膨润土百分含量的增加,其黏粒含量线性增加,粉粒含量线性减小,砂粒含量线性减小;混合土的液限与塑性指数的变化规律一致,以非线性的方式随着混合土混合比例的变化而变化,其中在混合土中含有膨润土的情况下,这种变化趋势更加明显.