Numerical Simulation of Heat Transfer Characteristics of Horizontal Ground Heat Exchanger in Frozen Soil Layer

A simplified numerical model of heat transfer characteristics of horizontal ground heat exchanger (GHE) in the frozen soil layer is presented and the steady-state distribution of temperature field is simulated. Numerical results show that the frozen depth mainly depends on the soil′s moisture content and ambient temperature. The heat transfer loss of horizontal GHE tends to grow with the increase of the soil′s moisture content and the decrease of ambient temperature. Backfilled materials with optimal thermal conductivity can reduce the thermal loss effectively in the frozen soil. The applicability of the Chinese national standard “Technical Code for Ground Source Heat Pump (GB 50366-2005)” is verified. For a ground source heat pump project, the feasible layout of horizontal GHE should be determined based on the integration of the soil′s structure, backfilled materials, weather data, and economic analysis.

冻土地区矿井水来源的水化学及环境同位素分析

冻土层季节性冻融过程会对地下水的渗流量、渗流方向和速度产生重要影响,进而导致冻土地区具有独特的地下水运移理论和机制。为了研究五九煤田胜利煤矿冻土地区矿井涌水来源及补给特征,采用水化学分析及^(13)C、^(14)C、^(18)O、D 4种环境同位素相结合的方法,分析矿井水的水化学特征及同位素分布特征,明确矿井涌水来源。通过对7组水样的试验研究发现:第四系水、第四系永冻层消融水、矿井水、基岩水均起源于大气降水,地表水、第四系水接受大气降水补给较快,基岩裂隙水、第四系永冻层消融水接受浅层第四系水的微量补给;采空区内黄铁矿氧化量较大,存在溶解少量瓦斯中CO_(2)的可能性,导致采空区积水中13C富集;矿井水中地表水和第四系水入渗量较小,表明第四系永冻层隔水性能良好。研究结果与实际情况相符,不仅为胜利矿水害防治提供依据,还为冻土地区类似矿井水源判别提供借鉴。

冰层对光伏支架桩基础稳定性的影响分析

为研究冰层对光伏支架桩基础稳定性的影响,通过建立水塘内水体和塘下土体的垂向温度分布数学模型,获得各典型年的冰层厚度变化过程,进行数值求解,确定冰层温度应力计算的几何模型;建立冰层热应力计算的数学模型,采用ANSYS程序对冰层应力场进行有限元求解及模型验证分析单桩在土体和冰层共同作用下的受力,进行稳定性评估;针对桩布设条件,计算桩与冰层应力分布规律,并进行对比分析。结果显示:同等环境条件下,桩体总长度大于9 m、桩体入土埋深大于4.4 m时,在计算所考虑的典型年气温变化条件下,桩体是安全可靠的,不会产生上拔现象。

超深厚表土层特殊凿井技术探究

为了开发超深厚土层下的固体矿物资源,以2000m深厚表土层建井为工程背景,通过总结深厚土层中井筒建设成果,并参考深土层井筒施工经验与理论研究,对冻结法、钻井法及混凝土帷幕法等特殊凿井法进行了可行性分析。研究表明:在本工程背景下,使用单一的冻结法或使用单一的钻井法作为建井技术尚不成熟且实现难度较大;而采用冻结-帷幕凿井工艺具有一定的可行性。由于深井建设面临“高地应力、高地温、高水压”问题,为确保工程安全性,提出了冻结-帷幕凿井法,为后续超深厚土层凿井方法的选取提供了方向性的参考。

冻土层重构技术在木里矿区生态环境治理修复中的应用

木里矿区露天煤矿山的开挖对天然冻土层造成破坏,形成的采坑、渣山及积水等直接影响了多年冻土层的特性,对矿区周边水源涵养及生态功能造成不利影响。在矿山环境修复治理中冻土层的修复是面临的主要问题之一。木里矿区修复治理作为我国在高原高寒生态功能脆弱区实施的首例大型矿山修复治理工程,在分析冻土层原始形态和破坏情况的基础上,通过系统分析、探测监测及试验等方法,构建了冻土层回填、活动场再造和冻土层保护三大结构层。冻土层重构技术在聚乎更四号矿井现场应用,取得了良好的冻土层修复和植被复绿效果。

非均匀冻胀条件下铁路纵向变形模型及参数分析

我国是冻土分布大国,寒区铁路轨道普遍遭受地基土冻胀影响。以往的研究偏重地基土的冻胀特征,而对纵向非均匀冻胀变形下铁路与地基土的相互作用关注较少。基于双层弹性地基梁理论,建立铁轨-轨下基础在非均匀冻胀变形作用下的力学模型,给出模型的解析解,结合算例分析夹层弹性系数和冻胀量对轨道位移和内力的影响。结果表明:弹性夹层可以有效减弱铁轨的冻胀变形和应力响应,有利于维护铁轨的运营;铁轨和轨下基础的过渡段长度、凹凸弯折段处的剪力、弯矩随着冻胀位移的增大而增长;夹层弹性系数增大会导致冻胀力对轨下基础的影响逐渐向轨道转移;过渡段的长度只与冻胀量有关。文章提出的计算方法和分析结论可为寒区铁路设计和运营维护提供科学指导。

降雨对多年冻土区浅层滑坡失稳的影响研究

近年来青藏高原多年冻土地区降雨量呈增大趋势,导致活动层沿多年冻土层滑脱,诱发的冻土浅层滑坡灾害严重影响区域生态环境和人类活动。冻土浅层滑坡失稳是渗流、温度和应力复杂耦合的过程,明确降雨条件下多年冻土斜坡水热力响应机制,揭示降雨诱发冻土浅层滑坡失稳的机理十分关键。基于冻土水热力耦合数值模拟方法,建立了仅施加气温变化的模型一和在气温变化基础上施加强度为9 mm·d^(-1)、持续降雨18 d的模型二,探讨了低强度、长时间降雨对多年冻土斜坡水热力演化的影响。结果表明:夏季雨水入渗对斜坡浅层温度场产生扰动,进而影响土体冻融过程,活动层以下有形成富水层的可能。雨水入渗导致融土饱和度大幅增加,水分渗流方向由竖直向下逐渐转变为顺坡方向。极限状态下斜坡位移分布在活动层,符合冻土浅层滑坡变形特征,降雨入渗数天后活动层位移有显著增大的趋势,最大位移所在位置向坡脚转移。降雨对斜坡稳定性影响显著,雨水入渗对活动层水热力产生持续影响,斜坡安全系数最小值出现明显滞后。研究结果为青藏地区冻土浅层滑坡灾害防治提供了科学指导。

新疆阿勒泰地区季节冻土路基温度场附面层参数研究

为了研究新疆阿勒泰地区的附面层参数,基于第二类和第三类混合边界条件,综合考虑太阳辐射、路面辐射、对流换热和蒸发耗热等因素的影响,运用数值模拟软件建立该地区季节冻土路基温度场模型,研究了新疆阿勒泰地区季节冻土路基温度场附面层参数及温度函数。研究结果表明:新疆阿勒泰地区天然地面的附面层厚度为0.4m,附面层底温度初始值为9.61℃,振幅为14.56℃;沥青面层附面层厚度为0.45m,附面层底温度初始值为10.85℃,振幅为16.43℃;混凝土面层附面层厚度为0.45m,附面层底温度初始值为9.46℃,振幅为16.39℃。

隧道保温层设计在河北季节性冻土地区的应用研究

寒区隧道防冻保温设计是影响隧道运营安全的关键。设置保温层是寒区隧道防冻保温的重要措施,保温层设计要点包括保温材料的选择、保温层设置方式、保温层长度等。结合河北地区隧道保温层设计应用情况,对保温层设计方法进行详细介绍,分析隧道冻害主要原因,明确了保温层设置位置、材料选择和设计理念,可为寒区隧道保温层设计提供参考。

冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析

冻结层的存在使得寒区有着与非寒区差别明显的水文循环过程,土壤冻融规律、水热盐运移、融雪水入渗等已成为众多学者的研究对象.寒区低温条件下冻融土壤持水性质与非冻融土壤不同,其包气带冻结层往往具有弱透水性、蓄水保墒和隔热减渗的作用,使得寒区春季冻结层土壤的墒情较高.以冻融土壤和非冻融土壤墒情对比监测为基础,选取地表以下100 cm的土壤为研究对象,在黑龙江大学呼兰校区设置冻融和非冻融对比监测试验场,同时段、同频率、同埋深（间隔20 cm土层）进行土壤结构、水热及环境参数监测.通过对比分析了不同埋深不同冻融阶段的墒情参数,量化了低温冻融条件下土壤墒情较非冻融土壤的高出部分,最后对冻土保墒的机理进行探讨与分析.结果表明：冻结条件下土壤水分重新分布,在土水势的作用下由非冻结区向冻结区迁移.初冻期地表土壤墒情达到最大,冻结期土壤最大墒情值随冻结锋面迁移分别在20、40、60 cm处达到最大,稳定冻结期和融化初期在80 cm处达到最大;土壤最大墒情值一般在冻结锋面前沿的10-20 cm处,较好地保持了土壤水分.无论是从空间（不同埋深）还是时间（不同冻融阶段）角度分析,冻融土壤含水率均大于非冻融土壤,二者含水率的差值随埋深和冻融阶段的推移而加大,在稳定冻结期80 cm处达到最大,差值量可达6.4%-7.8%.

影响冻融土壤水分入渗特性主要因素的试验研究

以冻融期间大田自然冻融土壤入渗试验为依据，分析讨论了影响冻融土壤水分入渗特性的主要因素。试验结果表明，冻融条件下，土壤水分入渗特性不仅受非冻结土壤基本理化特性（土壤结构、土壤质地、、土壤含水量等）的影响，还受冻融土壤的冻层厚度、冻层层位、冻层层数等特有因素的影响；在给定土壤质地条件下，土壤结构、土壤含水量、冻层厚度和冻层层位是其主导影响因素，冻层层数对土壤入渗能力也有一定影响。研究结果可为冻融土壤入渗特性的进一步研究奠定基础；可供季节性冻土区冬春灌溉参考。

冻土与结构接触界面层力学试验系统研制及应用

在天然冻土区或人工冻土工程中存在着大量冻土与结构物接触界面层问题,目前有关此类接触界面层力学变形性能的试验研究手段缺乏。为此,在已研制大型多功能冻土-结构接触面循环直剪系统DDJ-1基础上,改制冻土剪切盒,凸出冻土试样界面层,研发微变形测量系统,组成冻土与结构接触界面层力学试验系统。该系统不仅能实现不同边界条件下接触界面的力学特性试验,而且能测量和分析接触界面层不同位置的冻土体位移,分析研究不同冻土温度、不同结构粗糙度、不同法向荷载作用下界面层冻土体变形特性。试验结果表明,该系统能准确再现冻土与结构接触界面层的力学变形行为,可为系统开展冻土-结构接触界面层的研究提供试验基础。

季节性冻土对变电站接地系统分流系数的影响

季节冻土将改变土壤模型,导致杆塔接地电阻和变电站接地电阻的变化,从而导致最大入地电流随季节变化。文章采用数值计算方法分析了存在季节冻土时变电站接地系统埋设深度、杆塔接地装置埋深、垂直接地极、局部冻土、变电站进出线回数等因素对变电站分流系数的影响。分析结果表明:存在季节冻土层时,如果冻土层的厚度超过接地网的埋深,将使最大入地短路电流增加;变电站进出线为10回时,变电站分流系数大约增加30%;接地网增加垂直接地极能够减轻季节冻土对分流系数的影响。

多年冻土区铁路路基沉降变形研究与思考

根据青藏铁路路堤、路堑过渡带冻土路基分层沉降变形现场监测资料,笔者分析了路基变形的来源及机理。研究结果表明,路堑段,路基沉降变形主要来源于路基换填土层的固结变形;零填段,路基沉降变形主要来源于路基基底以下至原冻土上限之间活动层的压密变形;路堤段,路基沉降变形主要来源于高温-高含冰量冻土在较高附加应力作用下产生的压缩及蠕变变形,该变形在目前尚无明显衰减趋势,且相同时期各层沉降量明显比路堑段及零填段大,必须引起注意;最后从国内外研究现状讨论了系统开展高温-高含冰量冻土区路基变形研究的必要性和紧迫性。

高寒地区冻土活动层变化特征分析

利用1960—2010年黑龙江省83个气象站的冻土和0 cm地温资料,采用线性回归和多项式回归方法分析了黑龙江省冻土活动层的时空变化特征,揭示了黑龙江省5个典型气候区域最大冻土深度的变化趋势与特征,讨论了黑龙江省冻土活动层的影响因子。结果表明:黑龙江省冻土活动层冻结开始于9月,冬季3月冻土深度达到最大值,8月冻土厚度接近于0 cm。全省由北向南,最大冻土深度逐渐变小,冻结开始时间逐渐推迟,融化结束时间逐渐提前。黑龙江省最大冻土深度均呈显著减小的趋势,存在明显的退化趋势。从年代际变化来看,20世纪90年代前黑龙江省最大冻土深度变化较小,最大冻土深度较深,90年代后最大冻土深度呈显著减小的趋势。高纬度地区地温低,在同等条件下冻土深度较低纬度地区深。

中国黑土资源分布格局与动态分析

该文从冻层的角度分析了黑土性状特点与形成过程 ,揭示了黑土资源的纬向分布与冻层存在的密切关系 ,根据季节冻结层底面年平均温度和年平均气温关系式 ,计算出满足黑土形成所必需的与纬度有关的气温条件 ,从而证明季节冻层决定了黑土纬向的分布。论文从土壤地质学的角度分析了东北黑土资源的经向分布格局 ,根据黑土的基本性状反演了第四纪黑土成土环境 ,说明地质历史时期的一系列构造运动造成了东北地区明显的经向地貌差异 ,进而影响土壤形成的植被条件、母质条件、水文条件以及元素迁移和聚集 ,从而限定了黑土资源经向分布范围。探讨了黑土资源数量和质量上的变化及其影响因素 ,强调了人类不合理的土地利用及化肥。

寒区冻土层水理性质研究

寒区是我国重要的地理分区,在我国75%的国土覆盖着多年或季节性冻层土壤。冻层的不透水性、抑制蒸发作用、蓄水调节作用及调节产汇流作用,使寒区的水文循环机理与过程比非寒区复杂的多。从冻土层的水理性质的相关概念及特征参数、冻层水分迁移、融雪水入渗、冻土保墒和地下水溢流冰模型5个方面梳理国内外冻层水理性质的相关研究成果,并对国际领先研究成果—俄科院冻土所论著《寒区冻结层上水》进行内容分析,以期为农业生产、春季融雪径流、越冬期冻土层持水量、越冬期地表水对潜水补给量计算等研究提供有效的理论依据。

季节冻土地区人工冻土墙的冻结特性研究

季节冻土层中的地温呈非线性分布,改变了冻土墙形成时的初始温度条件以及形成后的结构形式。有季节冻土条件下形成深6m、厚1.4m的冻土墙较无季节冻土的情况可减少冻结时间15d,减少冷能消耗60%,经济上有极大优势。通过数值模拟,得到了能量消耗与时间关系曲线、冻结管热流密度与深度关系曲线、冻土墙的厚度与时间关系曲线、冻土墙的厚度与深度关系曲线等,可见季节冻土层的存在显著提高了冻土墙的厚度发展速度,减少了冻结时间,降低了冷能消耗。模拟了49种工况,对冻结管直径、冻结管间距、冻结时间、冻土墙平均温度、冻土墙厚度等数据进行了非线性回归分析,得到冻土墙厚度与时间成对数函数关系、平均温度与时间成反比例关系的相关表达式,为人工冻结技术的合理运用和推广提供了理论依据。

季节冻土区高铁路基保温层稳定作用研究

针对西宁至成都高铁若尔盖湿地段路基工程,基于传热方程、水分迁移方程与力场平衡方程建立季节冻土区高铁路基冻胀的水热力耦合模型,对比分析普通路基和保温路基的温度、水分和位移特征差异。结果表明:保温层有效降低路基的冻胀量,同时减小左右路肩的冻胀量差;保温路基与普通路基的总含水量分布相似,由于保温层将冻结锋面完全阻止在保温层内,其冻深远小于普通路基。

冻黏土与结构接触界面层单剪力学特性试验

为了解在荷载作用下，接触界面层发生的力学响应区别于冻土和结构材料本身力学特性，使用新研制的冻土与结构接触界面层力学试验仪，比较系统地研究人工冻黏土与粗糙钢板接触界面层单调剪切力学特性。分别从宏观和细观2个角度出发，分析冻土界面层的基本力学特性和受力变形机理。结果表明：随着法向荷载增大，接触界面的峰值剪应力、稳定剪应力、初始剪切劲度也增大，接触界面的抗剪强度与法向应力呈线性关系，可用摩尔-库仑准则来描述；冻土颗粒的剪切位移随冻土深度增大而减小，同一冻土深度内，剪切位移随法向应力的增大而增大，不同粗糙度的结构接触界面层变形特性基本相似，试验条件范围内接触界面层厚度为0.5～3.5 mm；界面层变形可分为冻土与结构接触界面上滑移变形和受结构约束的冻土剪切变形两部分；结构面粗糙度、冻土温度和法向应力等因素对接触界面层的力学特性具有显著影响。