基于热传递的寒区铁路桥台温度场规律研究

寒区铁路桥台受恶劣气候条件带来的温度场变化影响，产生了多种结构病害并威胁着线路运营安全。针对这一问题，本文建立典型铁路桥台有限元模型，研究建设完工后一年周期内的温度场变化规律，分析了台前及台后土体一定埋深范围内地温曲线的变化特征，对比分析了不同土质条件下的冻结深度差异。研究表明：桥台完工后的初始温度影响了台后土的地温分布，桥台建设及台后土的填筑导致地温温度场进行了重分布；在初始温度相同情况下，土体参数的不同导致冻结深度不同，冻胀土体冻结深度明显大于不冻胀土体，本文计算的最大冻结深度达7 m。     

季节冻土区保温法抑制铁路路基冻胀效果研究

模拟气候因素变化过程,得到不同时期冻土路基温度场分布,温度场随时间的变化可以反映出冻结相变区的变化;进一步分析表明,铺设保温板后,对路堤中心下冻结深度线的提升具有显著的作用,但对坡脚附近土体冻结深度线影响甚微,应当做好路基边坡防护工作.考虑土体体积力和土体冻结相变产生的膨胀力,采用热弹塑性冻胀计算模型,得到冻土路基冻胀时的变形和应力分布.在此基础之上,对冻土路基发生最大冻胀时的变形场和应力场进行分析,结果表明:利用保温法增大热阻,推迟或预防地基土的冻结,可明显减小路基冻胀隆起变形,使路基中拉应力(拉应变)减小;铺设保温板后路基坡脚附近天然地表下季节冻结层土体仍发生较大冻胀变形,其冻结时巨大的冻结膨胀力对路堤边坡仍有一定的破坏作用.建议与换填法相结合,改善坡脚附近冻胀敏感性土的土质,减弱其冻胀性,从而减小冻胀力对路堤的破坏作用.     

黄土高边坡开挖过程的变形监测分析

以隧道出口路堑黄土边坡为例,分析黄土路堑开挖过程中边坡变形和边坡土钉应力随空间和时间的变化规律。测斜仪监测结果表明:边坡的水平位移随开挖深度的增加逐步增大,并在开挖后一段时间内出现最大值,呈时间滞后效应。在不同的开挖阶段,坡体不同部位开挖后的水平位移变化幅度不同:坡顶变形幅度最大,坡底居中,坡体中部最小;坡体开挖完成后,坡顶绝对水平位移量最大,坡脚最小,坡体中部居中。随开挖深度的增加,坡体不同部位测试土钉各测点应力明显增大;土钉最大应力出现位置由坡面逐渐迁移到坡内。说明坡体的变形范围随开挖深度的增加而扩大;且由土钉最大应力出现的位置可判定边坡潜在滑动面位置。     

盾构法地铁隧道施工引起的地表变形分析

以南京地铁1号线许府巷—南京站区间隧道为背景,结合现场监测数据及各项掘进参数设置,对土压平衡盾构在富水饱和粉土、粉砂夹细砂、粉细砂地层中掘进引起的地表变形过程和分布规律进行分析,并使用有限差分法程序FLAC3D对考虑盾构施工工序、地下水位、土仓压力和注浆等因素的地表变形进行模拟计算分析。实测分析结果表明地表变形特征为:沉降速率大,测点最大沉降速率在-12~-15 mm.d-1之间;地层稳定快,盾尾脱出2~3 d后地层即趋于稳定;影响范围小,盾构掘进对隧道纵向地表的扰动在刀盘前方约10 m至盾尾后方16~20 m的范围内,横向地表沉降主要分布在隧道中心线两侧各5~7 m的范围内,地表距中心线20 m以外几乎不受影响。模拟计算地表沉降分布结果与实测数据基本吻合。     

吉图珲客运专线后安山隧道温度场分布规律测试及分析

以寒区后安山隧道工程为依托,通过对试验段温度场的测试,分析衬砌围岩温度分布规律、洞内纵向温度分布规律,并在此基础上,对保温板的保温效果进行探讨,分析结果表明:(1)边墙、拱腰、拱顶部位各测点随时间的变化规律成正弦函数,并和外界气温同步变化;距离衬砌表面60 cm内温度变化最为剧烈;在径向3 m范围内,围岩内温度呈线性变化趋势;围岩径向存在一个比较稳定的温度边界条件;隧道贯通后,各测点的温度下降3℃左右。(2)隧道纵向温度场沿路线呈抛物线分布,寒季为开口向下的抛物线,暖季则相反;进入隧道500 m后洞内气温受洞外气温的影响逐渐减弱,温度分布也逐渐均匀。(3)保温板内外两侧温度差最大9.21℃,证明其具有良好的保温效果;建议在隧道防寒保温段采取非等厚保温板的铺设方法更为经济合理。     

沥青混凝土路面温度场数值分析

采用三维模型,对夏日全天温度变化下路面结构层温度场分布及不同降温速率下沥青路面温度场分布进行了分析.结果表明:地表以下0.4m深度内(即沥青混凝土面层)温度场受到外界温度影响大,其下各结构层温度场变化不明显；对同一结构层,特别是面层,地表温度降幅越大,路面层顶底面的温度变化以及路面层产生的温度应力也越大；初始温度越高,各结构层温度也越高,但各结构层温度差与初始温度关系不明显.     

兰新高速铁路高寒地段路基温度场数值模拟分析

兰新高铁浩门至大梁区间所处地区海拔高,气温低,冻结期长,属于深季节性冻土区。为解决该区间路基冻害问题,依据当地气候条件,运用ANSYS有限元分析软件,对低路堤、零断面换填路基及不同深度处铺设保温材料的路基温度场进行数值模拟,分析路基冻结深度的变化规律和最大冻结深度,为高寒区高速铁路路基冻害防治措施设计提供参考。研究表明:(1)由于兰新高铁浩门至大梁区间海拔高、冬季冻结时间长、气温低等原因,导致路基冻结深度大;(2)零断面换填路基实测地温和数值模拟计算结果基本相符,所选计算模型、参数等可以为其他相同条件断面数值模拟分析采用;(3)铺设保温板路基温度场较未铺设保温板的0℃线上移,冻结深度增加速率变小,最大冻结深度明显减小,路基保温效果较好;(4)由于路基边坡、基床以下部位土层性质、厚度、热物理参数等影响,低路堤最大冻结深度比零断面换填路基大。     

青藏铁路多年冻土区普通路基地温监测及其预测分析

青藏铁路多年冻土区局部地段以普通路基形式通过,其稳定性与铁路的正常运营密切相关。2002～2003年在北麓河布置了普通路基试验段,用于监测路基的温度状态。基于监测资料,分析路基边坡温度变化过程、路基及下部土体温度场分布以及进入多年冻土的热流量。结果表明,阳坡面年平均温度比阴坡面高2.9℃,阴坡面温度年较差比阳坡面大2.2℃。受地表温度边界条件控制,路基阳坡下土体融化深度明显大于阴坡,且路基下部土体处于升温状态。路基下部土体不同部位主要表现为吸热强度逐年略有减小的吸热状态。模拟计算50年气温升高1℃条件下路基温度场,结果表明50年后路基冻土上限下降明显,并且冻土温度主要介于0～-0.5℃之间。     

伊拉克美索不达米亚平原软土分布特征及工程性质分析

伊拉克美索不达米亚平原地区分布着厚层状的流塑~软塑状黏性土,主要分布在底格里斯河和幼发拉底河流域,以湖相、沼泽相沉积环境为主。为了查明该区域内软土对拟建"巴士拉-法奥"段铁路路基工程的影响,采取现场调查、地质钻探、原位及室内试验等综合勘探手法,调查研究软土的分布特征及工程性质。研究发现:美索不达米亚平原地区广泛分布的软土具有垂直分布和空间分布特征。在垂直分布上软土的状态受深度控制,一般0~3 m,多呈流塑状,3~15 m呈软塑状,15~25 m呈软塑~硬塑状。且土层盐渍化严重,易溶盐含量从地表往下逐渐减弱,强盐渍土主要分布在地表0~5 m;在空间上具有受地形地貌、降雨量、河流水系、沉积环境等控制的特征。     

不同细粒含量下高铁路基粗颗粒填料水气迁移特征与冻胀特性

采用自行研发的水气迁移试验装置开展单向冻结试验,研究在气态水迁移和水气混合迁移2种水分迁移模式下,不同细粒含量粗颗粒填料的温度场与冻结深度、外界补水量、水分重分布、液态水迁移高度及冻胀变形的变化规律,分析细粒含量对高铁路基粗颗粒填料水气迁移特征及冻胀特性的影响。结果表明:细粒含量和水分迁移模式对粗颗粒填料冻结过程和深度的影响不显著;温度梯度是外界水分向粗颗粒填料试样内部补给的主要内在驱动;增加细粒含量,有利于液态水迁移,一定程度上阻碍气态水迁移;水气混合迁移模式下,细粒含量越高,外界补水量越大,而气态水迁移模式下,细粒含量越高,外界补水量越小;相同水分迁移模式下,细粒含量越高,粗颗粒填料试样冻胀变形越大。     

径径比对粗颗粒土干密度的影响试验研究

粗颗粒土的最大干密度与径径比(试样筒直径与颗粒最大粒径的比值)密切相关。通过不同径径比下粗颗粒土的标准干密度试验,探讨了粗颗粒土干密度随径径比的变化规律。研究发现:试验方法对径径比与干密度之间的关系影响不大,当径径比4.7时,径径比对干密度影响较大,干密度随径径比的增大而显著增大;当径径比4.7时,径径比对干密度基本没有影响,干密度随径径比的增大趋于稳定;为降低或避免径径比对试样干密度的影响,粗颗粒土标准干密度试验最大径径比不宜4.7;平行试验数据的变异系数也随径径比的增大而减小,径径比越大平行试验数据越稳定。研究结果可为粗颗粒土标准干密度试验合理选取试样筒尺寸提供数据支持。     

基于气象资料的CRTSⅢ型无砟轨道温度场特性研究

为研究无砟轨道温度场分布规律,基于气象学和传热学原理,建立CRTSⅢ型无砟轨道温度场瞬态分析模型。以实测轨道内部的温度数据验证模型有效性,在此基础上研究轨道结构温度场分布规律,并探讨风速和太阳辐射强度对轨道板内部温度变化的影响。结果表明:轨道结构温度沿竖向呈非线性分布,且随着深度的增加,温度变化幅度逐渐减小;横向温度分布随昼夜交替呈现周期性变化,在0.4～2.1 m存在温度平稳区。太阳辐射强度和轨道表面温度以日为单位呈周期性变化,轨道表面最大温度较太阳辐射峰值滞后约1 h。风速对无砟轨道表面以下10 cm范围的温度梯度影响较大,超过此范围的影响较小可忽略不计。有限元分析结果与实测数据基本吻合,研究结论可为CRTSⅢ无砟轨道温度场特性研究提供依据。     

几何参数对边坡稳定可靠度影响规律分析

坡高和坡率是影响边坡稳定可靠度的重要因素.利用积分中值定理推导基于Fellenius法的黏性土简单边坡稳定可靠指标的解析表达式,讨论边坡安全系数和可靠指标随几何和材料参数变化的非协同响应特性;基于Monte-Carlo方法,分析坡高和坡率引起边坡安全系数和可靠指标非协同响应的土体强度条件.研究结果表明:特定几何和材料参数下的边坡安全系数和可靠指标将呈现出相反的演化趋势,与边坡安全系数随土体强度和几何参数的不利变化而降低规律不同,在黏聚力小且变异性大、内摩擦角大且变异性小条件下,边坡可靠指标出现随坡高增加而提高的特殊变化现象;对于黏性土边坡,采取放缓边坡的工程措施,较降低坡高,既能提高边坡安全系数,也能保障边坡的可靠指标提高,降低工程安全风险.     

XPS保温板在高速铁路路基结构防冻胀措施中的应用

在严寒地区,引起高速铁路路基冻胀的因素主要为填料细颗粒含量、填料含水量及地温。为测试路基基床表层铺设XPS保温板的防冻胀效果,选取某客运专线DK115+373～DK115+603段为试验段,测试不同防冻胀措施(XPS保温板、基床表层毛细排水板)条件下路基温度场规律、含水量分布、防冻胀效果及冻胀变形特征。研究表明,路肩两侧冻结深度较路基中心大,受阳坡、阴坡影响也更为显著;路基横断面含水量分布随深度增加而增大,不同断面同一深度含水量变化不大; XPS保温板可有效阻止热量在路基垂直方向上的传导,从而减少路基最大冻深;且毛细排水板可防止基床表层水渗透至基床底层。     

多年冻土区铁路通风路基室内模型试验研究

介绍了青藏铁路多年冻土区通风结构路基内模型试验的研究结果。分析了模型路基典型部位的温度随时间的变化情况及整个路基2个典型断面在最低负温，最高正温和融化期结束时的温度场特征。通过对不同周期内对应时刻温度场的对比分析表明：随着时间的推移，路基土体的温度有明显的降低，最大融化深度有逐渐减小，这说明通风管路基结构形式能够有效地为路基提供冷能，发挥保护冻土，维持路基稳定性的作用。沿着风向方向，路基温度场呈不对称分布；通过通风管中心的断面和位于两根通风管中间的断面温度场在同一时刻非常相似，说明在路基的横断面上温度分布是对称的。     

运营高铁车站黄土路基沉降特征及原因分析

针对黄土地区某高铁车站路基沉降病害问题,选取典型区域,采用PS-InSRA技术对变形区域进行监测,获取2017年2月至2019年6月的Sentinel-1A卫星影像数据并与现场勘测结果相结合,分析形变特征和趋势,以指导后续病害治理。结果表明:研究区域路基沉降主要发生在2017年5月至9月和2018年4月至8月两个时间段,春夏季沉降速率较大,秋冬季相对平稳;地基土含水率在13%~26%之间,在地下2 m和4 m为含水率增加速率临界深度,0~2 m范围内的含水率增加较快,2~4 m范围内的含水率增加速率减缓,4~10 m范围内含水率基本稳定;路基部位地基处理影响范围有限,路基侧沟外侧地基土干密度偏小,渗透系数偏大,路基沉降的主要原因为车站场坪地表汇水渗入地基引起路基黄土层湿化变形。     

考虑随机裂隙的高寒隧道温度场和保温层研究

研究目的:为进一步探究温度场的变化规律和保温层敷设厚度问题,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、理论分析和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立隧道围岩区的随机裂隙模型,研究孔隙率、渗透率、随机裂隙孔径和水头对温度场的影响,并基于温度场进一步对比解析解和数值模拟的保温层设计厚度。研究结论:(1)径向温度值及其变化速率随围岩孔隙率和渗透率的增大表现为增大趋势,随着随机裂隙孔径和下边界水头的增大,径向温度值表现为增大,变化速率则表现为减小的趋势,孔隙率对温度场影响最大,渗透率对温度场影响最小,径向温度分布规律可用Asymptotic1模型表示;(2)由于随机裂隙和渗流的影响,衬砌和围岩接触面的温度值不完全对称,但总体表现为从拱顶到仰拱逐渐升高;(3)孔隙率和渗透率对冻结深度的影响可用Exp3P2模型表现,随机裂隙孔径和下边界水头对冻结深度的影响可用Exp Dec1模型表现,理论分析和数值模拟结果说明保温层厚度的解析解较数值模拟大;(4)本研究结论可为相关寒区隧道的温度场发展、分布规律和保温层厚度设计提供借鉴或参考。     

季冻区深基坑温度场及冻胀变形研究

考虑热对流和热传导作用,结合Laplace变换和Laplace反演推导基坑土体温度场解析解,并采用Matlab编程求解、分析其温度分布规律。依托哈尔滨某越冬施工的深基坑工程实例,采用有限元数值分析方法,分析冻胀对基坑影响及安全措施控制效果。研究结果表明:基坑暴露在低温环境下的时间越长,土体的冻结深度越深,但冻结深度增加速率随时间逐渐变慢;受冻胀影响基坑围护结构裸露段水平位移增加了11.5%～35.7%,且围护结构角隅位置受冻胀影响最大,冻胀对基坑影响不容忽视;较未设置保温层工况,保温层的设置使围护结构水平位移降低了11.6%～22.6%,保温层隔热效果明显。     

季节性冻土地区铁路路基冻结深度变化规律研究

对哈齐(哈尔滨—齐齐哈尔)客运专线DK221+150断面温度场进行实测,并对该断面温度场进行了二维有限元分析,研究季节性冻土地区铁路路基冻结深度变化规律及其影响因素,并拟合出冻结深度与热通量及持续冻结时间的函数关系。结果表明:该地区铁路路基最大冻结深度约0.3 m;路基冻结深度主要取决于浅层土体的热通量及持续冻结时间;当表层热通量降低至某一临界值后,土体冻结深度不再发展,冻土厚度开始逐步减少;冻结深度与热通量、持续冻结时间呈线性关系,随着冻结状态时间的延长,热通量的敏感性下降,持续冻结时间敏感性上升。     

呼和浩特地铁深基坑支护冻胀影响数值分析

研究目的:为研究低温作用下水土冻胀对地铁基坑支护结构的影响,依托呼和浩特市某车站地铁基坑,建立地铁深基坑数值计算模型,模拟季节温度变化对基坑体系的影响,探究越冬基坑在外界温度变化条件下,基坑周边土体、地下连续墙及坑底土体温度场变化规律,水土冻胀力主要影响范围,基坑支护体系内力及变形的变化规律。研究结论:(1)冻胀初期受表层温度影响较大的范围主要集中在5 m以内,随着外部温度的逐渐下降,土层冻结深度在逐渐增大,且在距离基坑0. 5 m范围内最大冻深达到15 m,在基坑外侧边缘的土体冻深相对较小,受气温影响较大;(2)基坑外侧土体受冻胀影响范围集中在7 m以上,随着基坑深度的增加,支护结构受冻胀的影响逐渐减少,且影响减少得较为迅速;(3)低温条件下考虑水土冻胀影响,基坑第一道横撑轴力增加约22%,地连墙最大水平位移增加约24%;(4)本研究成果可为严寒地区深基坑工程支护设计与施工提供参考。