Different discretization method used in coupled water and heat transport mode for soil under freezing conditions

A coupled water and heat transport mode is established based on the Richards equation to study water flow and heat transport in soil during freezing process. Both the finite difference and finite element method are used in the discretization, respectively. Two different computer programs are written and used to simulate an indoor unidirectional frozen test. The freezing depth, freezing rate and temperature variation are compared among lab tests, finite difference calculation simulation and finite element calculation simulation. Result shows that： the finite difference method has a better performance in freezing depth simulation while the finite element method has a better performance in numerical stability in one-dimensional freezing simulation.

硫酸盐渍土热-质迁移试验与耦合模型

为研究西部寒旱区盐渍土传热传质行为,首先,在无压补给条件下进行非饱和硫酸盐渍土的单向冻结试验;其次,考虑结晶潜热、结晶阻抗及结晶消耗等因素,建立非饱和硫酸盐渍土水-热-盐三场耦合模型;最后,采用COMSOL Multi-physics对耦合模型进行数值模拟,将模拟结果与试验数据进行对比分析.研究结果表明:盐渍土内温度随冻结时长呈三阶段发展,逐步形成上冷下暖的温度梯度;在温度梯度和基质吸力双重驱动下,水、盐向冻结锋位置迁移,冻结锋位置水、盐含量出现峰值,峰值含水率、含盐量相较初始值分别增加2.16%和0.28%;冻结锋沿冻结温度线移动,形成冻结锋面;土柱最大冻结深度约为15.5 cm.

单圈孔矩形布置的大断面冻结稳态温度场解析解

温度场是人工冻结理论的重要研究方向,也是评估冻结壁力学状态和封水性能的基础。对于周圈封闭布管形式的温度场,目前仅有规则环形条件下的解析解,包括单圈布置和双圈布置。但实际冻结工程中冻结管矩形布置也十分常见,特别是地铁车站冻结暗挖工程,其温度场尚无解答。根据冻结管矩形和环形布置的几何一致性,基于4根冻结管模型首先提出了矩形布管问题的“以圆代方”求解方法。进而结合稳态导热控制方程的边界可分离特性和势函数叠加原理,求解了8根管矩形布置和多根管广义矩形布置的温度场解析解。通过对比瞬态数值计算结果和模型试验结果,验证了解析求解方法的正确性和解析解的适用性。结果表明,矩形布管的温度场等值线在靠近冻结管圈径处显示出高度的矩形分布特征,随着计算点远离冻结圈,等温线逐渐向圆形转化。矩形冻结壁内侧发展速度大于外侧,内外0℃线内温度场受矩形布管影响显著,在冻结设计时应合理考虑冻结管布置形状对冻结壁几何特征的影响。

地铁联络通道冻结法施工土体含水量对地表变形影响的试验研究

为探究地铁联络通道冻结法施工土体含水量对地表变形的影响,基于冻结法施工地表变形模拟试验,总结了土体冻融过程中的地表变形规律,并结合土体含水量试验,分析了不同土体含水量下冻结法施工中地表变形的响应特性。试验结果表明:①在土体冻胀、融沉影响范围内,地表不同位置的冻胀结束时间基本相同,但融沉结束时间存在差异;②冻结管布置圈中心的地表冻胀位移和融沉位移均比两侧大,且地表平均冻胀速率也比两侧大,但地表不同位置的平均融沉速率存在差异;③土体的冻胀与融沉并非互逆过程,地表融沉位移通常大于对应的地表冻胀位移,且冻胀位移量越大,融沉位移超出冻胀位移的比例越高;④土体含水量越高,地表冻胀、融沉位移量越大,冻结期间地表的平均冻胀速率随土体含水量的升高而增大。

季冻区土质边坡滑动界面临界深度的试验研究

为研究季节冰冻区土质边坡春融期常发生的浅层滑坡灾害,考虑盐水冰点低于水的冰点这一物理特性,设计了模拟土坡内部冻融界面的试验方法。比较了在不同含水率时,经冻融循环后土质边坡滑动面的临界深度,验证了在冻融界面上土质边坡的破坏形态,根据试验结果拟合了符合本文土样条件的土质边坡滑动面临界深度的损伤模型。分析表明,冻融循环后,随含水率和冻融循环次数的增加,边坡滑动破坏的临界深度值逐渐减小,经对试验数据拟合提出的临界深度随冻融循环损伤模型,可为季节冰冻区的边坡设计提供参考。

冻融条件下苏打盐渍土的水盐变化规律研究

冻融作用是导致我国北方半干旱地区土地盐渍化的主要原因之一。以吉林西部大安市为研究区域,通过野外调查和样品采集,开展了盐渍土的室内试验,研究了冻融过程中土壤水盐的运移规律。研究结果表明:该地区土壤中的水盐在冻融过程中经历了两次迁移过程,不同阶段具有各自的特点。冻结过程中,未冻层的水不断向冻层迁移并随之冻结,盐分亦随水分迁移;融化过程中,未融化的冰层阻碍水盐下渗,上层滞水向表层运移并蒸发,使表层盐分急剧增加。在水盐运移过程中,电导率与总盐的变化具有良好的相关关系。室内模拟试验为进一步阐明该区盐渍土的形成机理与影响因素提供了科学依据。

自适应时间步长法在土体冻结水热耦合模型中的应用

由于相变的存在,土体冻结过程中的温度传导与水分迁移是一个复杂的物理过程。为了更好地描述冻结过程中水分与温度的变化规律,通过对不饱和土体水分传导方程的研究,考虑冻结过程中的相变,建立了一维冻土水热耦合模型。给出了相应的差分与有限元程序,并对室内冻结实验进行了模拟。提出误差因子的概念,通过对程序计算中时间步长与计算用时、误差关系的分析,论证了进行时间步长优化的必要性。在两种不同数值方法的对比中,体现了有限元计算的稳定性。提出了调整后的自适应时间步长计算方法。计算结果表明,优化时间步的自适应步长法,在不影响模型计算准确度的前提下,可以大幅减少计算用时,提高计算效率。

软岩冻结凿井井帮稳定性影响因素敏感性分析

西部软岩冻结凿井施工设计主要参照中东部冻结凿井施工经验,造成掘砌段高、冻结强度等关键参数设计无可靠依据。为此,通过对冻结软岩围岩径向变形主要影响因素进行辨识,并充分考虑影响因素之间的内在关联性和实际工程状况,根据正交试验理论设计了4因素4水平正交试验方案;根据中砂岩强度参数与冻结温度的相关性,通过fish编程对数值模型进行参数赋值;经过模拟分析,确定最大径向位移点出现在2.13h/3处,采用2h/3处径向位移为评价指标,经极差分析,掘砌段高对径向变形影响最大,且段高超过4.0 m后影响显著,最后经补充实验方案模拟分析,结果表明,掘砌段高影响最大,为22.7%,而冻结强度为-24.0℃时,增加冻结强度对控制冻结变形并不明显。分析结论对冻结凿井施工中冻结温度的确定和掘砌段高设置具有重要应用价值。

模糊算法在混凝土快速冻融试验机温度控制中的应用

近年来,基于模糊算法的智能控制技术的应用范围越来越广。本研究将模糊算法应用到混凝土快速冻融试验机的温度控制中,选取混凝土试件中心温度的目标值与实际值的温差E和温差变化EC作为输入变量,根据控制经验制定模糊控制规则,再依规则表进行模糊推理,得到输出控制量—变频压缩机的工作频率F(或加热管的加热占空比D),进而控制制冷或加热功率,并根据温度传感器反馈的试件中心的实时温度,及时调整输出控制量的大小。试验结果表明:相比于传统PID算法,采用模糊算法的温度控制器,不仅能有效减小超调量和响应时间,提高控制精度,增加试验结果的指导价值,还可以节能,提高经济效益。

考虑多地层相变的地铁联络通道三维冻结温度场数值模拟

地铁联络通道冻结法施工地层一般为多地层,各地层相变潜热具有差异性,尤其是富水卵砾石层差异较大,目前分析普遍考虑单一地层或极少数地层相变潜热,难以反映真实情况。依托南宁地铁联络通道冻结法施工工程,建立三维瞬态导热模型,并考虑多地层相变潜热,对联络通道的冻结温度场进行探究。结果表明,积极冻结约20 d,冻结圆柱逐渐增加并开始交圈;冻结43.22 d后,冻结帷幕的平均温度下降至-10℃以下。现场温度实测值与数值模拟结果温降趋势基本一致,与模型试验相差较远。

双腔冻结管温度场的试验与数值分析

基于控制冻结管径向冷能传播,提出了一种新型冻结器结构——双腔冻结器。采用模型试验和数值模拟,得到了新型冻结器的温度场时空分布特征,分析了新型冻结器的适用性。结果表明:在新型冻结管1.5圈径区域内,其温度场云图呈马蹄形,液氮腔侧较空气腔侧的温度变化剧烈,新型冻结器有效地改变了冷量的传递,具有明显的控制冻结效果;在新型冻结器1.5圈径区域外,其温度场云图近似呈圆形,新型冻结器在较大空间范围内控制作用不明显。最后,研究指出了新型冻结器——双腔冻结器在短时间内的控制冻结作用,可应用于市政抢险工程中。

软土盾构隧道冻结施工试验研究

根据相似理论原理 ,在进行上海软土盾构隧道冻结加固模型试验之后 ,给出了盾构隧道冻结施工及盾构推进过程中土体温度、应力、变形的有关规律。

富水软弱层联络通道冻结温度场研究

以某富水软弱地层地铁联络通道冻结工程为研究背景,采用室内三维模型试验、ANSYS有限元数值分析及解析求解相结合的方法,研究了联络通道冻结工程中的土体温度场演化规律。室内三维模型试验研究结果表明,冻结试验开始后12 h达到预设温度-25℃,19 h后土体冻结帷幕形成,可得现场的积极冻结时间为50 d,维护冻结时间为29 d;土体冻结过程中,温度变化大致分两个阶段,第一阶段土体温度呈线性快速下降至0℃,第二阶段土体相变放热后,温度继续下降,最低温度为-15.2℃^-16.8℃,整个过程土体降温速度呈现先快后慢态势;在冻土融化阶段,土体温度随时间逐渐升高至室温,整个融化过程所需时间为冻结时间的3~4倍。有限元数值分析结果表明,在联络通道开挖后,冻结管圈内冻结壁平均温度有显著升高,而冻结管圈外冻结壁温度受影响较小。推导得到了双管冻结温度场解析解。

闸门防冰冻模拟试验研究

根据相似理论并结合实际工程要求,对闸门门槽进行了防冰冻模拟设计,建立了闸门防冰冻试验系统,分析并探明影响闸门传热的主要因素。试验结果表明,合理的几何结构参数、高传导率的热介质、先进的加热方式可以有效防止闸门埋件与闸门止水橡皮冻结在一起,保证闸门的正常启闭。

CFRP修复隧道中冻融损伤混凝土层间力学性能研究

为研究CFRP修复黄土隧道的安全性问题,结合西安地铁2号线鱼化寨附近区间隧道与基坑连接处部分混凝土冻融损伤加固工程案例,对CFRP修复不同冻融程度的混凝土结构进行弯剪试验。研究结果表明:随着冻融次数的增加,修复试件的抗弯承载力逐渐下降,延性增加,层间位移加大;混凝土结构的承载力和挠度主要随着CFRP中CF布粘结长度的增加而提高。据此建议增加CFRP中CF布的粘结长度和粘贴层数。

黄河流域砒砂岩区多动力侵蚀交互叠加效应研究

识别砒砂岩区多动力侵蚀的叠加效应,对于深化认识砒砂岩区土壤侵蚀与产沙机理,为黄河粗泥沙来源区水土流失治理及砒砂岩区生态恢复等实践提供科学依据具有重要意义。通过室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型试验研究了砒砂岩区多动力侵蚀交互叠加效应。试验结果表明:单一的冻融、风蚀作用不会导致坡面产沙量的明显增加,而是增加了水力侵蚀的物质来源,只有在水力、重力等驱动因子的复合作用下才能对侵蚀产沙过程发生显著影响;砒砂岩表面风化层的存在是影响风蚀产沙的一个重要因素;复合侵蚀过程存在着显著的叠加放大效应,"冻-水"叠加效应约放大到127%,"冻-风-水"叠加效应放大至164%;砒砂岩区多动力交互作用产生的侵蚀叠加放大效应,是使其成为黄河粗泥沙核心来源区的重要原因之一。因此,复合侵蚀不是多类单相侵蚀的线性叠加,而是具有显著的非线性叠加放大效应。

寒区长距离输水渠道水流冻结模型试验研究

研究寒区渠道内水流冻结规律对于渠道冰冻灾害防治有积极意义,研制了寒区长距离输水渠道水流冻结模型试验系统,模拟了渠道中冰塞、冰盖的形成过程,分析了水流结冰变化规律及冰盖形成前后水位和流速的变化规律;利用COMSOL Multiphysics软件三维仿真了模型内水流的流态,并与实测流速结果进行对比。结果表明,研制的模型试验系统可较真实地模拟长距离输水渠道冬季运行的实际状态,是研究渠道冬季运行的有效试验手段;冰盖的形成起源于冰花、碎冰在水中障碍物或流速缓慢区域的堆积和热增长;冰盖形成的时间与流速成线性关系;冰盖形成后渠道过水断面各个位置流速普遍减低。

小型模拟冷冻实验在葡萄酒冷稳定处理中的应用

对小型模拟冷冻实验进行研究,确定了最佳的处理条件,通过理化指标的比对证明其能够逼真地模拟实际的冷稳定处理过程。该方法可以有效地提高冷稳定处理的一次性合格率,节省了生产成本。

环境温度及含水率对土体温度场影响研究

通过模型试验和数值模拟的方法,研究了环境温度和土体含水率对冻土温度场的影响。结果表明:冻结过程中土体内温度场变化只表现为降温阶段、平稳变化阶段及再降温阶段,过冷阶段表现不明显;环境温度变化对降温阶段影响较小,对平稳变化阶段和再降温阶段影响较大,环境温度越低,平稳变化阶段持续时间越长,再降温阶段同一时刻同一深度处温度越低;含水率的变化对土体内温度场的影响在降温阶段较小,对平稳变化阶段和再降温阶段影响相对较大,含水率越大,平稳变化阶段持续时间越短,再降温阶段同一时刻同一深度处温度越低;且模型试验得到的冻土温度场变化规律与数值模拟结果基本一致。研究结果可为冻土地区工程建设及对冻土的进一步研究提供参考。

基于五林矿场的冻融环境下缓倾斜边坡稳定性分析研究

五林露天矿场处于高寒冻融环境,地质条件复杂。文章通过冻融机理及边坡稳定性理论研究,利用直剪试验获得力学参数,结合数值模拟,从冻结厚度、融化厚度、含水率、冻融循环次数四个方面对目标矿区边坡稳定性进行分析。分析发现该矿区边坡稳定性较好,坡体滑塌风险较小,实验发现含水量和循环次数对边坡稳定性影响较大,三次冻融循环以后,含水量为主要影响因素。在此基础上提出铺设排水管道,使用土工格栅防护,雷达监测等相关防护措施。