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。     

冷水循环作用对半埋管能源桩承载特性影响试验研究

能源桩系统是一种新型节能环保的桩基础形式,主要是将地源热泵系统和桩基础结合而形成。针对半埋管能源桩开展了冷水温度循环作用下能源桩的承载特性变化规律研究,发现桩周土体温度、桩身温度、桩身轴力、桩侧摩阻力等随温度减小的变化规律。桩身温度变化最大影响范围为100 cm,随着深度的增加逐渐减小。冷水循环后桩身温度减小的幅度从上至下呈先减小后增大的趋势,说明在地基深处桩土热传递效果更加明显。研究表明,冷水作用下半埋入能源桩存在桩两端向中间收缩的情况,且收缩中心点位于埋管位置的下半部分。     

温度影响下供水管道力学行为数值模拟研究∗

夏冬季节供水管道漏损和爆管事故频发,表明温度是影响供水管道结构运行安全的重要因素。然而,已有研究大多忽视温度变化对供水管道力学行为的影响。因此,本文采用有限元数值模拟方法,建立了考虑管?土相互作用的热力耦合三维数值模型,研究了地表温度变化对供水管道周围土壤温度场的影响,分析了供水管道因土壤与水温差异造成的力学行为变化,研究了不同温度影响下埋深、管径和壁厚三个因素对供水管道力学行为的影响。 最后,采用均匀试验设计方法,通过大量的有限元数值模拟,建立了供水管道最大应力、最大竖向位移和地表温度变化之间的经验预测方程。研究结果表明：土壤的温度变化幅度小于地表的温度变化幅度,即存在“冬暖夏凉”的效果。因土壤与水体的温度差异,供水管道容易出现“热胀冷缩”的现象,使得供水管道发生漏损或爆管。本文建立的经验预测方程和有限元模拟结果拟合较好,可直接用于评估供水管道不同季节的结构运行风险和沉降风险。     

穿越逆冲断层的埋地管道非线性反应分析

穿越逆冲断层的埋地管道在地震作用下,容易发生局部屈曲或整体失稳等形式的破坏,研究逆冲断层作用下的埋地管道地震反应规律,对管道抗震设计及施工等具有重要的意义。本文将埋地管线及周围土体从半无限地球介质中取出,分别以空间薄壳单元和实体单元进行离散,采用非线性接触力学方法模拟管、土之间的滑移、分离及闭合现象;采用线性位移加载模拟断层的错动,考虑了系统初始应力状态的影响,对土体未开裂前的管土相互作用系统进行了拟静力数值分析;分析了位错量、土体刚度、埋设深度、径厚比及跨越角度对埋地管道反应的影响,得出了一些有益的结论。     

换热管埋设位置对桥面板除冰效果影响现场试验北大核心CSCD

管埋式液体循环换热桥面除冰融雪技术可以利用浅层地温能、太阳能等可再生能源,是一种节能环保的新型融雪方式。依托江阴市征存路观风桥市政桥梁工程,针对在桥面板铺装层或桥面板底部埋设换热管两种埋管方式,开展桥面工程除冰现场试验。在桥面铺设冰层,分别通过铺装层换热管和底部换热管与桥面板进行换热,并通过参照试验消除外部环境对试验结果的影响。实测两种埋管位置循环换热作用下,桥面的除冰效果和桥面板的温度变化规律;初步对比分析两种埋管位置除冰系统的热效率(用于除冰的热量与系统提供的总热量的比值),及桥面板的热-力响应特性。结果表明:现场试验条件下,铺装层埋管除冰系统运行8小时后,系统的热效率约42%,8小时内平均热效率约25%;底部埋管桥面除冰系统的平均热效率约为铺装层内埋管桥面除冰系统的50%;在相同的热交换功率下,底部换热管除冰系统流体温度远高于铺装层换热管除冰系统,底部换热引起的桥面板底部混凝土最高温升为31℃,相应温度应力为2.78 MPa,约为混凝土抗压强度(19.1 MPa)的14.5%。为了达到相同的融冰效果,底部换热系统需提供更高的换热功率和流体温度,并在混凝土内部引起更大的温度应力。     

断层两侧差异性土壤冻融对埋地管道力学性能影响研究

季节性冻土区埋地管道遇到的最常见问题是冻融循环引起的管道冻胀与融沉,不仅给管道带来附加应力与变形,而且在特定的条件下容易造成破坏,引起严重灾害。通过ABAQUS软件对跨断层埋地管道与土壤系统进行热力耦合数值模拟,建立冻融循环情况下管-土相互作用模型,分析断层两侧土壤性质相同与差异情况下管道应力分布规律。当断层两侧土质相同时,管道总应力与轴向应力在最高或最低温度下都接近于相同,但是当断层两侧土壤性质不同时,管道最大应力与最大轴向应力明显大于断层两侧土壤性质相同时的应力,且均出现在距离断层一定位置处。管道内部承压会导致相应的最大总应力和轴向应力增加,同时低温和高温时的最大应力差值变化规律改变。断层处埋地管道土壤回填时宜采用相同或者渐变的土质,否则应采取特殊的抗冻胀措施,对断层错动与断层两侧土壤性质差异同时出现时的管土作用机理与灾害预估需进一步研究。     

竖直埋管及桩基内埋管换热器传热模型研究进展

地埋管换热器是一种能利用浅层土壤地温能的新型节能技术。回顾了竖直埋管和桩基埋管换热器的传热机理与孔外解析传热模型,根据不同简化模式对模型进行综述,主要分为:无限长、有限长线热源;无限长、有限长柱面热源,以及螺旋热源和各向异性土中传热模型等。并且,针对桩基和竖直埋管的区别,对这些传热模型进行比较,总结出不同模型对不同换热器的适用性。最后,基于模型的发展趋势,给出目前存在的问题及发展方向。     

深基坑支护开挖对临近地铁隧道结构的影响分析研究

通过数值计算,采用考虑基坑开挖过程中土体剪切模量随应变增大而衰减特性的HSS模型,研究了基坑开挖卸荷作用下,邻近地铁隧道的埋深、隧道和基坑地连墙距离及刚度比等关键因素对地铁结构附加弯矩和附加位移的影响。结果表明:对于坑底隧道,在地下墙埋置深度范围内,与地连墙水平距离越大,隧道的侧移越小,在地下墙埋深以下,隧道侧移随与地连墙水平距离的增大而增大;通过比较坑侧与坑底隧道的附加弯矩与位移,得出地连墙底附近区域因基坑开挖卸荷引起的隧道附加弯矩较大,出现应力集中和明显的隧道-土-挡墙相互作用效应,坑侧隧道水平附加位移普遍大于竖向附加位移;此外,隧道与地连墙刚度比增大,对挡墙侧移和隧道附加位移都有明显的抑制作用。该研究揭示了基坑开挖作用下隧道-土-挡墙之间的相互作用规律,对深基坑开挖优化设计以及临近地铁结构的保护和安全运行具有一定的指导意义。     

静载作用下埋地管道数值模拟及其力学性能分析

针对静载作用下埋地管道变形与力学性能,通过有限元数值模拟与模型试验对比分析,验证了有限元数值方法可靠性,进而综合分析了管周砂土相对密实度Dr、加载板宽度B、加载板中心距管道中心水平距离L、管道埋深H和管壁厚度t等因素对管道性能的影响。结果表明:增加Dr,管道正上方加载板极限承载力显著增加,相同荷载下管道应变和径向变形相应减小,管道应变以环向压应变为主;同等条件下随着B的增加,加载板极限承载力呈近似线性增加,管道径向变形和应变增长速率明显增加;随着管道埋深H增加,管道正上方加载板极限承载力先增加后减少,并最终趋于稳定,当埋深为3 D时管顶处竖向应力约为无管道时的50%,管顶土拱效应明显;当增加L时加载对管道径向变形和应变的影响持续减弱,二者沿管周的分布规律明显变化;增加管壁厚度可有效抑制管道环向应变,但对管道径向变形和加载板极限承载力无明显影响。     

考虑随机腐蚀的多龄期埋地钢管地震响应规律∗

埋地管线作为城市水、气等的重要传输载体,对城市正常功能的运行发挥着不可或缺的作用,由于土壤环境腐蚀的影响,在突发地震作用下极易发生破坏,造成环境污染及资源的浪费。基于随机腐蚀过程,针对多龄期埋地钢管的地震响应规律展开了系统深入的研究:考虑埋地管线腐蚀发生的随机性,建立了基于齐次马尔可夫过程的随机腐蚀发生模型;考虑不同腐蚀环境的影响,建立了酸性环境下的全面腐蚀模型与近中性及碱性环境下的局部腐蚀模型;基于钢材标准试件的加速腐蚀模拟及拉伸破坏试验,建立了考虑随机腐蚀作用的钢材力学性能退化模型及埋地钢管的时变本构模型;采用有限元软件ANSYS进行非线性动力时程分析,揭示了不同土壤环境下多龄期埋地钢管的地震响应规律,为埋地钢管的震前加固及震后破坏评价提供理论依据。     

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。     

逆断层作用下埋地管线对周围土体的影响区域分析

在穿越断层埋地管线原位足尺试验的基础上,借助于有限元分析软件ABAQUS建立三维有限元模型,并将有限元分析结果和试验分析结果进行对比以确定建立模型的正确性。利用有限元模型对试验工况进行补充分析,通过对逆断层作用下管道和周围土体的反应模拟结果确定地震中管道变形对周围土体的影响区域。分析对影响区域可能造成影响的各个参数,从管径、管道埋深、断层面倾角、位错量、土体刚度5个方面研究了其变化对影响区域可能造成的影响。     

螺旋锚复合基础对村镇生土建筑抗震性能影响研究∗

村镇生土结构因其抗震能力不足在遭遇地震时产生破坏严重,而螺旋锚基础能提供抗拔力来防止建筑物的隆起和倾覆。针对砂土中螺旋锚锚盘埋深、间距及数量对上拔承载特性及极限上拔承载力影响因素进行数值模拟研究,通过对比优化确定螺旋锚复合基础参数。并以中国村镇典型单层生土结构为研究对象,对条形基础生土结构和螺旋锚复合基础生土结构进行地震反应分析,以此来研究适合村镇生土结构的抗震构造加固措施。基于非线性动力时程分析方法,提取结构顶层位移,研究螺旋锚复合基础对生土结构地震反应的影响。结果表明：①埋深比为 10.5,锚盘间距为 4.5D 时的双片螺旋锚上拔承载特性最好;②在地震动作用下,螺旋锚复合基础形式在一定程度上影响结构的整体抗震性能,螺旋锚复合基础使生土建筑的抗震性能显著提升;③螺旋锚复合基础在地震动作用下的轴力最大值未达到其极限上拔承载力,基础坚实可靠;④地震动作用下,螺旋锚复合基础降低了生土结构的破坏等级,提高了结构的性能水平。     

光热电站熔盐储热罐地下通风系统的数值仿真

由于高温熔盐储热罐在运行过程中内部温度非常高,致使其底部很大范围内的土壤处于高热环境,各种热效应使得基底持力层的承载力和稳定性受到很大影响。为有效降低罐底土壤的温度,采用在罐底埋设通风系统的方法,使土壤在一定深度内,形成1个温度较低的恒温层。利用ANSYS软件对某光热电站的高温熔盐储罐的地下通风系统进行建模,对通风系统和土壤进行流固耦合传热分析,研究其散热效能及温度场分布特性,并计算出使罐底1.45 m处土壤温度降低到90 ℃以下的通风系统的工作参数,为实际工程中风机功率的选择提供参考。     

地下管线的有效应力地震反应分析

地下管线的地震反应与管线周围土体的动力特性以及管土之间的相互作用密切相关。在地震作用下,孔隙水压力的发展会导致土体有效应力的降低,并且影响土体的动力特性。根据有效应力方法以及土体的非线性动力本构模型,可以研究孔隙水压力的增长与消散、有效应力的降低以及土动力特性的变化。在地下管线与周围土体之间引入接触单元,来模拟管土之间的接触传递问题;通过有限单元法,对地下管线的地震反应进行了全过程地震反应分析的数值模拟。计算结果表明:在地震作用下,孔隙水压力的增长造成了土体的软化,使得土体的动力特性发生变化,因此管线的地震响应也发生了相应的变化。     

埋地管线腐蚀模型及地震随机反应分析

埋地管线在使用过程中会出现不同程度的腐蚀现象。由于管线腐蚀受到周围土壤性质、输送介质等不确定因素的影响,其腐蚀状态会呈现随机性的特点。本文利用带吸收壁的齐次马尔可夫链理论,提出了管线腐蚀发生的离散状态模型,并根据管线腐蚀线性发展模型,推导给出了管线截面面积随时间变化的概率模型。在此基础上,利用弹性地基梁原理建立了管线地震反应的表达式,并利用M on te-C arlo随机模拟方法进行了模拟分析。实例分析表明,本文建立的腐蚀模型可以较好地模拟埋地管线的腐蚀现象,并能获得在地震激励下腐蚀管线的随机反应。     

地震荷载作用下埋地玻璃钢夹砂管的动力响应分析

玻璃钢夹砂管在土木水利工程领域得到了愈来愈广泛的应用,但现有的埋地管道地震响应分析模型大多不考虑管-土动力相互作用,且多针对均质材料管道,无法应用于具有明显层状复合材料结构特征的玻璃钢夹砂管。基于玻璃钢夹砂管的层状复合材料结构特征,建立了完整的埋地玻璃钢夹砂管地震响应分析模型,在数值分析模型中,考虑了管-土间复杂的动力相互作用,以及地震散射波从有限域向无限域的传播。算例分析表明,所建立的埋地玻璃钢夹砂管地震响应分析模型可合理地分析埋地玻璃钢夹砂管在地震荷载作用下的动力响应。     

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。     

基于修正惯用法的埋深对圆形隧道地震反应影响∗

采用修正惯用法,在考虑土拱效应对圆形隧道结构受力状态影响的基础上,研究了埋深对地下结构地震反应的影响规律。首先,对比分析了不考虑和考虑土拱效应时、地震荷载作用前,隧道结构内力分布及随埋深的变化规律;将作用于隧道结构上的水平地震荷载等效为围岩土体变形导致的土压力的改变值;继而探讨了考虑土拱效应后,地震荷载引起的隧道结构内力的改变,研究了不同地震动强度下,埋深对圆形隧道结构地震反应的影响规律。 研究结果显示,地震作用下,圆形隧道结构的内力随着埋置深度的增加呈现出先增大后减小或趋于稳定的趋势,即圆形隧道结构地震反应存在一个抗震关键埋深。     

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。