基于有限体积法的冻土水热耦合程序开发及验证

土体冻结和融化时的水分迁移、相变与传热是一个相互影响的耦合过程。采用基于有限体积法的开源软件OpenFOAM,编制描述土体冻融过程的水热耦合计算程序。首先,基于土体水分和热量迁移基本方程、水分相变与温度的平衡方程,同时考虑相变对水分特征参数和热特性参数的影响以及相变潜热对传热过程的影响,建立冻土水热耦合数学模型。然后,采用基于多面体网格的有限体积方法对水热耦合控制方程进行空间离散,采用全隐式向后差分方法对方程进行时间离散,由此编制冻土水热耦合计算程序。该程序具有良好的几何适应性、质量和能量守恒性,具备面向复杂问题的并行计算功能。最后,采用该程序对两组不同温度边界条件的室内土体冻结试验进行数值模拟,并与试验结果进行对比,结果表明该程序可以较为准确地模拟土体冻结过程中温度场和水分场的演化特征。     

地下水浅埋条件下越冬期土壤水热迁移的数值模拟

应用土壤冻融过程中水热耦合迁移模型,对内蒙古河套灌区地下水浅埋条件下整个土壤冻融过程进行了模拟,分析了越冬期土壤水热迁移规律．结果表明,快速冻结阶段土壤冻结速度随深度线性减小．冻结过程中某一深度处的含水量增量与冻结速度呈双曲线型相关关系．提出了土壤冻融过程中的特征含水量概念,以描述土壤含水量的动态变化特征．     

冻融作用下岩石力-热-水耦合本构模型研究

在寒区隧道工程中,冻胀的水分迁移作用加剧了隧道围岩的冻融破坏。耦合水分迁移作用的岩石本构模型对防治冻融渗漏、崩塌等隧道围岩灾害有着重要意义。基于内状态变量理论,将冻胀过程中的水分迁移量作为本征变量引入Helmholtz自由能,在热力学框架下建立了一个岩石力-热-水耦合本构模型。模型描述了温度和水分迁移对冻融后岩石损伤阈值、等向强化饱和值、等向强化速率等力学参数的影响。模拟了岩石冻融后力学性质的劣化。区别于全量经验公式,本模型以增量形式给出,为复杂应力历史条件下的数值模拟提供了便利。通过将模型模拟曲线与冻融后岩石常规三轴压缩试验曲线进行对比,初步验证模型的可靠性,为实际寒区工程的冻胀破坏预测提供参考。     

GIS-based spatial and temporal prediction system development for regional land subsidence hazard mitigation

An integrated GIS-based approach for establishing a spatial and temporal prediction system for groundwater flow and land subsidence is proposed and applied to a subsidence-progressed Japanese coastal plain. Various kinds of fundamental data relating to groundwater flow and land subsidence are digitized and entered into a GIS database. A surface water hydrological cycle simulation is performed using a GIS spatial data operation for the entire plain, and the spatial and temporal groundwater infiltration quantity is hereby obtained. Through the data transformation from the GIS database to a groundwater flow code (MODFLOW), a 3D groundwater flow model is established and unsteady groundwater flow simulation for the past 21 years is conducted with results which compare satisfactorily with observed results. Finally, a Visual Basic code is developed for land subsidence calculations considering aquifer and aquitard deformation. Future land subsidence in the plain is predicted assuming different water pumping scenarios, and the results provide important information for land subsidence mitigation decision-making.     

冻融风化边坡岩体破坏机理研究

高寒山区岩质边坡冻融风化破坏严重影响公路建设及其运行安全。为了揭示岩体在冻融条件下的破坏机理,本文通过对高寒山区岩质边坡现场调查、编录,结合室内试验及数值模拟等,从不同尺度下综合分析岩体的冻融破坏机理。室内试验显示岩块受冻融后存在强度弱化现象,其受控于岩块的结构构造、胶结程度及初始损伤裂隙发育情况;冻融试验揭示岩体裂隙发育特征对冻胀变形性质起决定作用,裂隙的冻融破坏速率远大于岩块,密闭条件下,裂隙水冻结成冰过程中形成冰劈效应,冻胀力可达33MPa以上;数值分析揭示了边坡温度场受低温、大温差影响最为明显,裂隙带受冻融影响严重,其为边坡冻融风化的通道,裂隙水冻胀形成冰劈是边坡冻融风化破坏的主要模式。     

水泥改良土杯型冻土壁融化温度场三维数值模拟

为掌握水泥改良土杯型冻土壁的解冻规律,以南京地铁10号线过江隧道盾构出洞水平冻结加固工程为例,对水泥改良土杯型冻土壁融化温度场进行了三维数值模拟,并研究了导热系数、比热容、相变潜热等因素变化对融化温度场的影响规律。结果表明:冻结水泥土解冻速度受初始温度影响较小,受冻土位置影响较大;解冻过程中,冻土壁外侧1 m处的非冻结土温度先降后升,冻土壁外侧3~7 m处土体温度始终呈下降趋势;随着导热系数减小、相变潜热增大、比热容增大,解冻时间延长;比热容对冻结水泥土解冻过程的影响主要体现在升温阶段,相变潜热主要影响冻土相变阶段,导热系数既影响升温阶段又影响相变阶段。      

BP神经网络在冻土路基变形预测中的应用

在青藏铁路冻土路基现场实测资料的基础上，用改进的BP神经网络建立起了路基变形与地温、路基高度和上限之间的非线性映射。对某一典型路基第30年的变形进行了预测，结果显示路基的累计融沉量在冻胀量的两倍以上。从绘制的路基变形过程曲线可以很清晰地看出路基一年中的变形趋势和冻胀融沉区间。在4月份以后，路基的变形由冻胀向融沉转变，变形与地温有很好的正比关系，但是当地温升高到一定值时，路基的融沉量便不再随着地温的升高而增大。路基的冻胀与地温的关系也有相似的规律，说明地温对路基变形的影响存在一个比较明显的区间，在这个区间范围内的温度对路基变形的影响较大，这为控制路基的病害提供了一个比较有价值的信息。     

多年冻土区铁路路基导热系数监测与分析

为分析冻融过程、 道砟覆盖及降雨对多年冻土区铁路路基土体导热系数的影响, 对青藏高原多年冻土区铁路路基试验段和天然地表土体开展导热系数、 温度、 水分原位监测。结果表明： 融化期导热系数波动均明显大于冻结期, 天然场地导热系数在冻结期大于融化期, 而无道砟覆盖路基土体和道砟覆盖路基土体的导热系数在冻结期小于融化期, 与通常的认知和温度场模拟取值相反; 道砟层的保温和阻水效应导致道砟覆盖路基土体含水量和导热系数均小于无道砟覆盖路基土体, 冻结期路基土体导热系数有减小趋势, 道砟覆盖路基土体尤为显著; 降雨入渗增大土体导热系数, 低含水量的道砟覆盖路基土体导热系数对降雨的响应最强烈。寒区路基工程数值模拟时, 应考虑水热变化对导热系数的影响, 不宜采用固定相变区间的分段函数或阶跃函数预估导热系数。     

季冻土路基永久变形现场监测与分析

利用光纤光栅开展了为期两年的季冻土路基永久变形现场监测,考虑了不同场地、不同时段、不同轴载组合对永久变形的影响。监测结果显示：（1）受气温影响,路基温度在正冻期和正融期随时间呈振荡线性变化,在一个冻融循环内,市区监测场地埋深30 cm和75 cm位置,地温变化范围分别为-9.0～14.4 ℃和-1.9～15.4 ℃,且随深度增加地温对气温的响应逐渐减弱,滞后性增强;（2）两个监测场地,当路基处于完全冻结状态时,车辆作用下的永久变形均较小,但在正融期,同样车重作用下路基永久变形增大,最大变形是冻结期的4.5倍,是融化期的4.2倍;（3）路基经历了两次冻融循环后,变形仍未稳定,在重载车辆作用下其永久变形仍不可忽视;（4）以轴重40 kN车辆引起的路基最大永久变形为基准,轴重80 kN及250 kN车辆引起的实测永久变形分别增大17倍及215倍,永久变形与轴重非线性关系明显;（5）冻融和重载叠加作用会产生最不利组合,放大路基永久变形,对此需特别关注。     

Load transfer analysis of rock-socketed drilled shafts by coupled soil resistance

The load distribution and deformation of rock-socketed drilled shafts subjected to axial loads are evaluated by a load transfer method. The emphasis is on quantifying the effect of coupled soil resistance in rock-socketed drilled shafts using 2D elasto-plastic finite element analysis. Slippage and shear-load transfer behavior at the pile–soil interface are investigated by using a user-subroutine interface model (FRIC). It is shown that the coupled soil resistance acts as pile-toe settlement as the shaft resistance is increased to its ultimate limit state. Based on the results obtained, the coupling effect is closely related to the ratio of the pile diameter to soil modulus (D/E_s) and the ratio of total shaft resistance against total applied load (R_s/Q). Through comparison with field case studies, the 2D numerical analysis reasonably estimated load transfer of pile and coupling effect, and thus represents a significant improvement in the prediction of load deflections of drilled shafts.     

科尔沁草甸地冻融期土壤水热盐动态迁移规律

为掌握科尔沁草甸地冻融期土壤水、热、盐迁移规律,以科尔沁左翼后旗阿古拉生态水文试验站2013年10月—2014年5月土壤冻融期实测气象、土壤等数据为基础,用统计分析法对研究区草甸地冻融期土壤温度、水分、盐分的变化规律进行了分析。结果表明:气温对土壤剖面温度的影响随着土壤深度的增加而降低,土壤剖面温度变化滞后于气温变化的时间取决于气温升降幅度,且没有显著的规律;由于气温回升速度大于降温速度,导致土壤消融速度比冻结速度快;土壤冻结过程由表层向下进行,冻结温度与土壤含盐量呈负相关关系,用温度的线性内插法准确确定草甸地于2014年3月9日达到最大冻深104 cm;土壤消融时受地下暖土层热流和地表温度双重影响,由底部向地表和由地表向冻结层进行双向消融;地下水位埋深较浅,受土壤冻融作用影响,升降趋势显著;草甸地土壤冻结期盐分向地表积聚,并于2月达到最大,后经消融及雨水淋润作用开始下降;冻融期盐分变异性大于水分变异性,说明盐分的运移过程更为复杂。     

季节冻土区风积沙土路基冻结过程中水热迁移数值分析

基于Harlan模型和Darcy定律,并考虑温度梯度对水分迁移影响、温度和含水量对水热参数影响以及各种环境气候因素的影响,建立了完全依赖气象资料和水热参数的风积沙土路基冻结过程中水热耦合迁移数学模型,采用全隐式有限差分格式和TDMA迭代法对内蒙古锡林浩特地区沙漠公路207国道K135+000处冻结期间路基水热迁移规律进行了数值模拟.结果表明:该地区道路冻结深度随时间近似线性变化,冻结速度达到2~3 cm·d^-1,最大冻深为3 m左右,冻融时间约为180 d;水分迁移主要发生在冻结锋面附近,从未冻区向冻结区迁移,且随着冻结锋面前移,迁移量逐渐增大;整个冻融期间最大冻深底部层位含水量变化较大,路面下0~50 cm范围内温度变化比较剧烈.     

基于CLM模式的青藏高原土壤冻融过程陆面特征研究

使用位于青藏高原东部若尔盖站的观测数据驱动CLM3.5模式,设计一组去除模式中冻融过程的"退化试验",进行为期一年的模拟研究。通过对比原试验与敏感性试验模拟结果,初步分析冻融过程在土壤温度变化、各能量通量分配中的作用,得到以下结论：（1）冻融过程是土壤温度变化的"缓冲器",冻结过程向周围环境释放能量减缓了土壤降温的速率,使土壤温度不至降得太低,而消融过程从周围环境吸收能量减缓了土壤升温的速率,使土壤温度不至升高太多;（2）冻融过程改变了地表辐射通量,土壤冻结改变了地表反照率,改变了向上短波辐射,且由于冻结过程减缓了地表温度的下降,改变了地表向上长波辐射,进而改变了净辐射通量;（3）冻融过程显著地改变了陆面能量的分配,通过相变能量的释放和吸收增大了地气间能量的传输,显著地增大了地表土壤热通量,且通过改变地表温度和地表蒸发,改变了感热及潜热通量。在冻结过程及完全冻结阶段,感热及潜热通量均增大,但在消融过程阶段,感热及潜热通量均减小。冻融过程对土壤热通量及感热通量的影响在冻结过程及完全冻结阶段更为显著,而对潜热的影响则是在消融过程阶段更为显著。     

裂隙岩体冻融损伤关键问题及研究状况

工程岩体冻融损伤问题是寒区常见的工程难题,其主要诱因是岩体中水分的冻胀融缩作用。目前国内外学者关于冻岩问题的主要研究内容可大体归纳为冻岩物理力学性质、相变过程、低温多场(THM)耦合、冻融损伤模型及数值分析等4个大方面。几十年来,国内外学者通过理论分析、数值模拟、现场及室内试验等多种途径对冻岩问题展开研究,取得了丰硕的成果,但目前对冻岩问题的研究远未成熟,很多研究尚停留在试验探索阶段。要真正意义上揭示冻岩损伤机制,应以水冰相变为切入点,立足细观尺度,充分考虑冻胀融缩作用与裂隙扩展的相互影响,进而拓展至冻融作用对岩体裂隙网络发展的影响。     

1977 - 2017年雅江流域中下游大气/地面冻融指数时空变化特征

冻结指数是某个地区冻结期长短和严寒程度的综合表征, 融化指数是某个地区融化期长短及正积温高低的综合度量, 冻融指数也是计算活动层厚度和季节冻结深度的关键参数, 并可用于多年冻土分布预报。利用雅鲁藏布江（雅江）流域中下游11个气象站点的逐日气温、 地面温度数据计算了1977 - 2017年大气及地面冻融指数, 并分析其时空变化趋势。结果表明： 雅江流域中下游近40年来冻结指数呈显著下降趋势, 大气冻结指数、 地面冻结指数、 大气融化指数、 地面融化指数多年变化范围分别为208.4 ~ 508.0、 136.9 ~ 371.0、 2 171.8 ~ 2 499.8、 3 350.2 ~ 4 315.2 ℃·d; 其气候倾斜率分别为-36.6、 -48.7、 90.7、 115.8 ℃·d·（10a）^-1。雅江流域大气和地面冻结指数以海拔4 488.8 m的嘉黎最大, 海拔2 991.9 m的林芝最小; 大气和地面融化指数则以海拔3 560 m的泽当最大, 海拔4 488.8 m的嘉黎最小。流域内大气负温日数变化规律与地面负温日数变化趋势基本一致, 其气候倾向率分别是-6.28 d·（10a）^-1和-5.57 d·（10a）^-1。研究结果可为雅江流域冻土预报, 冻融作用所形成的冰缘地貌研究及其引发的地质灾害如冻融滑塌、 冻融泥流等灾害的监测与预防提供借鉴。     

冻融作用对海相软土压缩性及抗剪强度影响研究

为揭示原状海相软土冻融前后变形及强度差异性,对宁波原状海相软土及不同冻融条件下的融土进行了压缩实验和三轴固结不排水剪切实验。研究结果表明：单向冻结条件下,冻融作用使海相软土压缩性增强,且对试样不同部位处产生的影响程度不同,对靠近冷端的下部融土压缩性影响最大,中部其次,上部最小;冷端温度越低,冻融作用对融土压缩性影响越小,且逐渐趋于稳定;自然解冻比强制解冻对融土压缩性影响程度更大。冻融作用使融土黏聚力明显减小,内摩擦角略有增大;冷端温度越低,冻融作用对黏聚力和内摩擦角影响程度越大,在一定法向应力范围内,融土破坏强度越小。     

浅埋隧道冻结法施工地表冻胀融沉规律及冻结壁厚度优化研究

浅埋隧道对地表冻胀、融沉变形有严格要求。针对珠机城际轨道交通项目联络通道冻结壁设计改进问题,基于热?力耦合理论,利用有限差分数值计算方法对冻结法施工全过程进行模拟,通过比较研究不同厚度冻结壁模型引起的地表冻胀、融沉变形及隧道管片变形规律,实现冻结壁厚度的优化设计。研究表明：（1）该数值模型可有效模拟地表冻胀、融沉变形,利用已查明数值误差对计算结果进行折减可得到较为准确的实际变形预测值;（2）不同模型地表冻胀、融沉规律大致相同,但变形量及影响范围随冻结壁厚度减小呈递减趋势,当冻结壁厚度为2.5 m及以下时变形基本满足规程要求;（3）土体冻胀、融沉变形并非简单的互逆过程,融沉变形通常大于冻胀变形,平均超出量达40%,应特别注意;（4）冻结壁厚度越大相应产生的冻胀力越大,通过优化冻结壁厚度可有效控制隧道管片附加应力及变形的产生,保护已建隧道结构安全;（5）综合选定2.5 m为冻结壁改进厚度,成果直接应用于4#联络通道冻结法施工,经现场监测表明该优化方案有效、可行,对类似工程冻结壁厚度设计具有较好的推广应用价值。     

岛状多年冻土管道周围热-水-应力耦合数值模拟

考虑大气温度以及管内流动介质温度的影响,建立由多个土层构成的岛状冻土物理模型,研究塔河地区埋地输油管道周围热-水-应力（T-H-M）耦合作用,分析水-热-应力耦合作用下管道的受力情况并进行管道强度验算。采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics进行数值模拟,计算在T-H-M三场耦合及非耦合两种工况下岛状多年冻土管道周围应力和沉降曲线等。分析比较表明,岛状多年冻土区的温度,冰水相变以及水分迁移对应力场存在较大的影响;水分场、温度场以及应力场三者之间耦合作用明显;岛状冻土随季节呈周期性冻融,管道周围出现较大应力集中和沉降现象,会对管道安全产生一定影响。     

边坡渗流耦合变形分析方法的研究及其应用

边坡在渗流作用下应力场会发生变化,是渗流场耦合应力场的作用结果。给出了一种考虑饱和-非饱和流渗影响的边坡弹塑性有限元分析方法,采用了不同含水量对抗剪强度影响的模型,求解带有渗透力作用项的土体弹塑性平衡方程得到边坡的应力应变分布,并应用于某滑坡的实际降雨分析。该实例分析证实,由于渗流作用影响,边坡变形加大,最后形成潜在滑动面。利用渗流耦合变形的弹塑性有限元法分析大气降雨造成土体滑坡的变形和发展是可行的,其在实际工程中的应用是成功的。