高原多年凍土涵洞溫度場及地基土凍融變形規(guī)律研究.pdf

1、在高原多年凍土地區(qū)修筑鐵路時，遇到的主要問題是凍脹和融沉問題，涵洞工程同樣也會受到這兩大問題的困擾。論文圍繞凍土地區(qū)涵洞工程中的這兩個關(guān)鍵問題與產(chǎn)生這些問題的主要原因——涵洞的設(shè)置對下伏多年凍土賦存條件的影響以及新建凍土涵洞地溫場變化特征而展開研究：通過現(xiàn)場試驗研究，分析路基的填筑與涵洞的施工對多年凍土熱狀況的影響及涵洞結(jié)構(gòu)不同部位的凍、融變形特征；以流體力學(xué)和熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立凍土涵洞溫度場有限元模型，通過對不同模型進(jìn)行數(shù)值模擬，

2、以了解凍土涵洞溫度場變化特征；以滲流理論和熱力學(xué)為基礎(chǔ)，建立凍土涵洞溫度場與滲流場耦合作用的有限元模型，并對考慮滲流情況下的涵洞溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，以了解滲流對溫度場的影響；通過建立凍土凍脹、融沉計算模型，對涵洞地基土進(jìn)行凍、融變形計算，分析地基土的分層凍、融變形規(guī)律。具體表現(xiàn)在： 1．對青藏鐵路沱沱河試驗段兩座拼裝式涵洞進(jìn)行了地溫和涵內(nèi)外氣溫的長期現(xiàn)場監(jiān)測，并對觀測資料進(jìn)行了系統(tǒng)的對比分析，了解了適合于青藏高原多年凍土區(qū)這一特

3、殊施工環(huán)境的涵洞施工工藝、最佳的施工季節(jié)、施工對下伏多年凍土賦存條件的影響、涵洞下多年凍土的凍結(jié)和融化特征、涵洞內(nèi)外氣溫變化特征以及沿涵洞軸向多年凍土上限的變化特征；同時，通過對涵洞結(jié)構(gòu)沉降變形(凍脹與融沉)的監(jiān)測，闡明了涵洞結(jié)構(gòu)的沉降變形特征，為分析涵洞對該類凍土地基的適應(yīng)性及凍害防治提供了有用的參考。 2．針對多年凍土地區(qū)涵洞溫度場是具有導(dǎo)熱與對流換熱耦合邊界并伴有相變的非穩(wěn)態(tài)溫度場的特點(diǎn)，基于涵內(nèi)流體流動為不可壓流體充分發(fā)

4、展層流流動的假定，建立了涵內(nèi)流體對流換熱的微分控制方程，同時，在非穩(wěn)態(tài)溫度場控制方程的基礎(chǔ)上建立了伴有相變的凍土體非穩(wěn)態(tài)溫度場控制方程，最終推導(dǎo)了涵內(nèi)流體與涵洞周圍凍土體的流一固耦合溫度場模型。并用Galerkin法求解涵內(nèi)流體及凍土體非穩(wěn)態(tài)溫度場偏微分方程，采用空間域內(nèi)的有限元法與時間域內(nèi)的有限差分法的混合解法進(jìn)行了涵洞溫度場的有限元分析。 3．基于凍土涵洞溫度場有限元方程，采用直接耦合方法，在考慮第一類邊界條件下，分別對試驗

5、矩涵在不同徑流情況下的溫度場進(jìn)行了計算，并根據(jù)試驗涵洞的實際徑流情況，將暖季小徑流涵洞的計算值與實測值進(jìn)行了對比，計算與實測結(jié)果比較一致，證明了流-固耦合模型的正確性。 4．通過對不同徑流情況下涵洞修筑后溫度場逐年變化過程進(jìn)行對比分析，探討了溫度場的變化規(guī)律，論證了涵洞修筑后溫度場逐年穩(wěn)定變化所需的年限以及逐年變化較大的年限；了解了涵洞不同位置地基土的最大融化深度及達(dá)到最大融深的時間，獲得了涵洞修筑后不同年限、不同季節(jié)涵內(nèi)過水或

6、通風(fēng)對涵洞溫度場的影響程度。 5．運(yùn)用滲流理論和傳熱學(xué)理論，并在總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出了考慮涵洞滲漏水及涵前積水下滲情形下，凍土涵洞溫度場一滲流場耦合作用的有限元方程，并采用順序耦合方法，對暖季小徑流過水涵洞在考慮滲流時的溫度場進(jìn)行了計算，討論了滲流對涵洞地基溫度場的影響。結(jié)果表明，滲流作用加深了涵洞地基土的季節(jié)融化深度，增大了涵下凍土的融化范圍，將對涵洞的穩(wěn)定性造成不利影響。 6．在總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者研究成果