多年冻土区水泥混凝土路面下冻土路基温度场数值分析

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多年冻土地区挡墙结构温度场模拟分析研究

经验交揣
多年冻土地区挡墙结构温度场模拟分析研究
ＴｅＡｎｌｓｓｆｅｅａｕｅＦｅｄＳｍｕａｉｎｆｒｔｉｉｇＷａｌｔｕｔｒｅｍａｒｓｇｏｈａｙｉｏｍｐｒｔｒｉｌｉｌｔｏａｎｎｌＳｒｃｕｅｉＰｒｆｏｔＴｏＲｅｎＲｅｉｎ
原北部及西部高山区，并零星分布就使得青藏铁路沿线多年冻土的发育和分布明显受到三向地带性控制，即由热量和水分随高度变化造成的垂直地带性；由热量南北差异
在多年冻土地区修建铁路路基，打破了原来
天然地表与外界的热力平衡，地下温度场将重新分布，可能引起多年冻土区冻土退化，从而影响
引起的纬度地带性；由距离海洋远近、大气环流
特点造成的降水不同所产生的地带性。
中图分类号：Ｕ４２２１．２文献标识码：Ｂ文章编号：１０ — ９５（００－１７００３８６２１）４０ — ４１１
１引言
多年冻土的面积约占全球陆地面积的２％，３主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的部分
赵耀文（乌铁建设监理公司，新疆乌鲁木齐７０７）３００
摘要：在多年冻土地区修建铁路路基，打破了原来天然地表与外界的热力平衡，地下温度场将重新分布，可能引起
多年冻土区冻土退化，从而影响路基的稳定性。本文基于多年东突地区的路基温度场的数值模拟计算分析以及远期的预测，

多年冻土区路基的结构设计分析

研究结论：认为按地质和地温条件处理冻土，保持多年冻土上限不下降后，路基结构按“ 封闭系统” 冻结
条件进行设计，表层冻融层内用不冻胀的粗粒料填筑，其它部分按常规路基设计，即可满足多年冻土区路基结
构功能的要求。关键词：多年冻土；季节融化层；上限；冻胀；融沉
（ａｌａｎｉｅｒｇＲｓａｃｎｔｕｅｈｎｃｄｍｙｏａｗｙＳｉｃｓＢｉｎ００１ＣｉａＲｉｙＥｇｅｎｅｅｒｈＩｓｔｔ，ＣｉａＡａｅｆｉａｃｎｅ，ｅｉｇ１０８，ｈｎ）ｗｎｉｉＲｌｅｊ
ＡｂｔａｔＲｅｅｒｈｐｒｏｅ：Ｔｅａｔ —ｆｏｔｅｖｎａｕｅｏｅｓｒｃｆｓｂｒｄｎｐｒｆｏｔｅｉｎａｄｔｅｓｒｃ：ｓａｃｕｐｓｓｈｎｉｒｓｈａｉｇｍｅｓｒｓｆｒｔｕｆｅｏｕｇａｅｉｅｍａｒｓｒｇｏｎｈａｈ
ａｔ —ｈａｈｗｉｇｍｅｓｒｓｆｒｈｕｇａｅｏｏｒａｄｒｈｉｅｆｏｅｏｌａｅｐｔｏｗａｄｂｓｄｏｈｎｌｓｓｏｅｎｉｅｔａｎａｕｅｅｓｂｒｄｆｏｎｃｃｒｚｎｓｉｒｕｒｒａｅｎｔｅａａｙｉｆｈｔｏｔｐｉｆｔｃａａｔｒｓｃｆｕｆｃｒｓｈａｉｇａｄｂｔｍｈｗｎｆｓｂｒｄｎｐｒｆｓｒｇｏ．ｈｒｃｅｉｔｓｏｒａｅｆｔｅｖｎｎｏｔｔａｉｇｏｕｇａｅｉｅｍａｒｔｅｉｎｉｓｏｏｏ

多年冻土地区公路路基阴阳路肩温度变化比较

青海交通科技2020—4多年冻土地区公路路基阴阳路肩温度变化比较黄阿妮（青海省交通科学研究院西宁810016）摘要针对处于多年冻土地区沥青路面下公路路基温度变化情况，本文分析了路面以下、天然地表（原地面）以下及阴阳路肩温度变化情况，比较了阴阳路肩平均温度、变化幅度及年平均温度，发现普通路基存在比较明显的阴阳坡效应，阳坡升温幅度、升温速率及冻土上限始终高于阴坡。

关键词多年冻土公路温度阴阳坡效应Comparison of temperaturr variation ofstady and sunny slopesUoulyer of highway subgrade in permafrost regionAni Huang(Qinghai Research Institute of Transportation# Xining810016# China) Abstract For highway subgrade with the temperature ot asphalt pavement in permafrost mgion,this papea analyzes the mad surface,natural surface(origin gmund)with the following temperature changes and shouldea ot shddy and sunny slope,compared average temperature,amplitude ot venation changes the annual average temperature.Il is found that with common subgrade,there is obvious shady and sunny slope etect,the amplitude of verig-tion,warming rate,and permafrost upper limit of sunny slope is always higher than that in shady slope.Key wodt Permafrost;Highway;Temperature;Shady and sunny slope effect1引言冻土在我国乃至世界都占有很大的面积,在冻土地区修筑公路工程对冻土有较大的扰动，破坏了冻土区热交换环境，影响了冻土的发育，使地表与大气之间的热交换条件受到干扰，打破能量平衡环境%公路工程的施工建设使公路路基中的地温场重新分布［1-3］，尤其是公路建设中，路基因路线走向产生阴阳坡，路基阴阳坡的存在使不同的坡向受热存在较大的差异,致使路基不同的坡面地温相差较大,不管是高温冻土还是低温冻土区,这一现象在公路工程建设中均以常态化存在⑷％这种常态化的地温差异严重影响着冻土的发育和冻土盆能量的储存,致使路基两侧的冻融状态不平衡，随着公路工程的长期运营，这种不平衡冻融状态使不同坡向的路基产生不均匀沉降，甚至破坏［5-7］，严重影响着公路交通的可持续发展％在青藏高原地区，黑色化路面已普遍存在，高原地区的强紫外线使黑色化路面吸热加剧，路基温度高于低海拔地区，黑色化路面成为影响青藏高原地区冻土发育的主要因素之一％黑色沥青路面铺筑后却导致路基病害的大量产生［8］，其主要原因是:首先由于沥青路面的强吸热性，改变了条状路基下冻土的稳定环境;再次由于高原地区沥青路面具有封闭效应，使路面以下路基中的水分无法传递蒸发,冻土中的热交换环境得到破坏，水分及热量封闭于路,变路与冻土的衡关系，因此,在进行青藏高原多年冻土地区设计、建设时,应根据现场区域及气候环境,科学选择公路路面类型，综合考虑公路后期养护条件等多种因素最终加以确定％本文依据青藏高原冻土地区路基低温监测数据,科学分析,合理总结其路面以下、天然地表（原地面）以下及阴阳路肩温度变化情况％2监测方案［作者简介］黄阿妮（1974-"女,工程师，主要研究方向:公路工程63黄阿妮多年冻土地区公路路基阴阳路肩温度变化比较上图为位于多年冻土地区的公路路基，路基宽面%度12- 25m ，高2- 5m ,边坡坡度为1 ：2，路面为沥青路竖向热敏电阻串布置示意图0. 5米0. 5米◎◎◎◎◎ ◎◎◎◎◎◎◎◎◎路基宽度◎◎◎◎◎◎◎©路肩孔中心孔D\40钢管路尚礼坡脚扎天然扎DN40PVC 管图2地气热交换路基温度监测在青藏高原地区公路路基地温监测时,依据路宽度布设监测孔位5个，为路中孔（深20米）、路孑L （深15米）、脚孔（深10米）孔（深20米），度探头为每0.5m 或1m 布设一个，每集1至2，时间为14 ：00 %3结果分析图3为路面下0. 5m 处阴阳坡路肩温度随着时间的变，可以发阳坡路肩的地温年变化同样呈正弦布，阴阳路肩每年7月~8月达到最高温，路在2015年~2018年最高 •别为9. 75、10.67、10.46和12.21i ，阳坡路肩在2015 年 ~2018 年最高温分别 11.47、10.42、14- 59和11.72i ；在每年1月~2月达到最低温，路肩在2015年-2018年最低温分别为9- 14、一 9- 69、-7. 14和-9. 29i ，阳坡路肩在2015年~ 2018年最低温分别为-6- 79、- 7. 95、- 7. 4 和 - 8- 65i ，发阳坡路肩在差较明显，路 .度小于阳坡路肩，但在暖季，其差别不是特别明显。

多年冻土路基温度场变化及数值模拟

多年冻土路基温度场变化及数值模拟摘要：多年冻土是存于地表下一定深度范围内常年维持冻结状态的特殊土壤，且广泛分布于我国东北和西北地区，我国是世界第三大冻土国。

随着全球气候变暖，地表温度上升，使得冻土出现退化趋势，主要表现为寒区工程设施出现冻胀融沉、不均匀沉降等病害，所以分析多年冻土路基内部温度场变化规律，对研究寒区道路设计、工程修建及寒区病害防治等工作具有重要意义。

关键词：多年冻土；温度1. 冻土温度传输理论根据傅里叶定律，冻土中热量传输一维微分方程为：式中：T为土体瞬时温度（℃）；t为时间（s）；ρ为土体密度（kg/m3）；λ为导热系数（W/（m·K));C为土体比热（J/（m3·K)),z为土体深度（m）。

由于冻土在温度变化时会发生相变，土体冻结和融化状态下比热和导热系数会存在一定差异。

假设土体的相变温度为（Tm±ΔT),C和λ的分段函数为：式中：C u、C f分别为融土和冻土的比热；L为相变潜热，取值为334.5（kJ/kg）。

式中：λf、λu分别为融土和冻土的导热系数。

通过求解温度传输微分方程可以计算得到随着外界温度变化土体不同深度的温度场变化情况，微分方程可以利用有限元模拟软件进行求解，故本文利用Comsol软件进行冻土温度场数值模拟。

2. 基于Comsol软件的冻土温度场模型建立2.1 几何模型和网络划分本文选取青藏高原某公路路段的路基断面为研究对象。

此路基计算模型，宽10m，高4m，边坡坡度为1:1.5。

计算区域地层自上而下依次为路基填土、粉质黏土、含砾黏土、碎石砂土，四个土层对应的层厚为4 m、4 m、5 m和11m，深度共20 m，而模型的计算宽度取路基坡脚两侧向外侧各延伸9 m，全部采用三角形网格划分，整个模型共计449个单元。

2.2 边界条件和初始条件上边界条件青藏高原2000～2020年这20年间的气温变化数据为道路路基上边界温度，而且这20年间的气温呈现升高态势，将20年气温数据进行拟合得到下列公式：下边界条件根据现场勘探资料显示，地表下20m土壤受温度变化影响较小，土层温度较为恒定，一般为-1.5℃～-2℃，故建计算时取-2℃。

多年冻土路基稳定性的数值分析

ｄ＝Ａ（）ｔｅ（）１
多年冻土进行铁路建设，多年冻土地基上填筑路堤，在由于工程式中： ——强化系数，既与温度无关，与荷载作用时间无它也活动将会导致冻土冻结上限的变化，以及高路堤边坡的不同朝向关
２６・７
２００７年５月
山西建筑
ＳＨＡＮＸＩＡＲＣＨＩＣＴＵＲＥＴＥ
Ｖ＿．３Ｎｏ１０３．５１Ｍａ．２０ｖ０７
文章编号：０９６２（０７１ —２６０１０ —８５２０）５０７２
至引起行车事故。如日本东海道新干线，由于路基的严重下沉，变形。根据Ｈ・崔托维奇著《Ａ・冻土力学》书，土的蠕变衰减一冻１６９５年～１７年间中断行车２０多次，９５０列车平均运行速度降到方程为：１０ｋｈ１ｍ／，０ｍ／～１０ｋｈ大大低于设计时速２０ｋｈ２ｍ／。青藏高原
Ａ（）ｔ＝＝叫（＋口１）（）２（）３
１冻土的工程性质
青藏铁路多年冻土路基最大的问题就是融沉与冻胀。冻土层融化会产生下沉，而冻结则产生冻胀变形，中融沉是关键因其素。土体中的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重
２１７２５４２１２１１８
在０℃下的Ａ值／ｇｃ１ｋ・ＴＩ—
多年冻土路基稳定性的数值分析
刘为民
摘要：以青藏铁路清水河试验段为背景，依据现场冻土的物理力学性质试验结果，应用有限元数值分析方法，研究了多年冻土区的路基沉降变形规律，与实际监测数据进行对比分析，究了路基变形的稳定性。研关键词：多年冻土，路基，变形，稳定性中图分类号：１．Ｕ４６１文献标识码：Ａ

多年冻土区埋地管道周围土壤温度场数值模拟

油气田地面工程第２卷第１９Ｏ期（００１）２１．０
１３
能量守恒方程
—
明显高于其他两种情况，而且波动幅度较大；在管
］（一￡，ｈ｝＋１）ｐ＋，
道采用保温层的情况下，保温层相对越厚，管壁热
｛［ｐｈ＋（一）ｅＴｆｆ１，）
一一
流密度及波动幅度越小，保温效果越好。
１２
油气田地面工程第２９卷第１Ｏ期（００１）２１．０
ｄｉ１．９９ｊｉｓ．０６６９．００１．０ｏ：０３６／．ｓｎ１０ — ８６２１．００６
多年冻土区埋地管道周围土壤温度场数值模拟
用ＦＵＮＥ软件对有无保温层条件下埋地管道周ＬＴ围土壤温度场水分场进行数值计算，可为工程建设提供一定的理论依据。
鼍＋（Ｖｐ
一ＶＶ／）（＋。Ｊ）一Ｐ－（＋ｃ１＋Ｈ１Ｊ
＋Ｐ（ｆＴ— Ｔ）（）３
密度明显降低且波动幅度减小。管道运行１７个月后，无保温层与分别采用３Ｏ和５０ｍｍ保温层时相比，管道底部最大融深相差１１．７和１４．６ｍ。采用保温材料可降低冻土融化速率，防止冻土退化。
关键词：多年冻土；埋地管道；水热耦合；多孔介质；数值模拟
对埋地管道周围土壤温度场进行研究Ｌ，并取得４］

多年冻土桩基础土体温度场数值分析

ＣＨＥＮＸｕｅｍｉｎ，ＣＨＥＮＷｅｉｈｕａ，ＸＵＸｕｅｙａｎ，ＹＵＨａｏｌｉｎ
（１．ＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇＥｌｅｃｔｉｒｃＰｏｗｅｒＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｒｂｉｎ１５００７８，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，ＨｒｂａｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅ，Ｈａｒｂｉｎ１５００９６，ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｆｒｅｅｚｅｉｎｊｕｒｙｏｆｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｐｅｒｍａｆｒｏｓｔｒｅｇｉｏｎｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎｌａｙｚｅｓａｎｄｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅ
ｎｕｍｅｉｃｒａｌｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｐｅｒｍａｆｒｏｓｔｓｏｉｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｅｆｌｄｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆｌａｒｇｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅ
ｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｒｍａｌｃｌｃａｕｌａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｅｆｌｄ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃｌａｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｉｓａｎｌｙａｚｅｄａｓｗｅｌｌ，

多年冻土地区路面类型对路基温度场影响

当前，高等级公路路面结构类型而言，就常用的路面结构主要有水泥混凝土路面和沥青混凝土路面两种。这两种
路面由于路面性状不同，面下路基温度场的改变状况也各路
不相同。黑色的沥青路面由于其感温性，可吸收大量的太阳
ｉｅｈａｓｂｌｙｏａｂｄｉｐｒａｏｔｇｎ．ｅｅｆｏｃｓｎｅｒｎｆｍｔｉｒｅｒ．ｎｔｅｔｔｉｔｆｏｄｅｍｆｓｒｉｓＡｓｒｓｎｌｉｓｒｄｗｏｓｅａｈｇｈａｉｒｎｅｒｏｅｉｏｃｕｏｗｅｏｒｈｓｃ
ＲＯＳＲＴＥＧＩＯＳ
ＬｉＩＪｎ—ｐｎ，ＳＮＧＹ，ＣＵＹｉｇＨＥｕＨＯａ—ｌｇｉｎ
（ｔｅＫｙＬｂｒｔｙｏｒｚｏｎｉｅｒｇＣｌｄＡｉｅｉｓＥｖｒｎｎｌｎＳｔｅａｏｏｆｏｅＳｉＥｇｅｉ，ｏａｒＲｇｎｎｉｍｅｔｄａａｒＦｎｌｎｎｄｎｄｏｏａａＥｇｅｒｇＲｓａｃｎｔｕｅＣＳａｚｏ３００Ｃｉ）ｎｉｅｎｅｅｒＩｉｔ，Ａ，Ｌｎｈｕ７００，ｈａｎｉｈｓｔｎ
【关键词】路面类型；温度场；水泥混凝土路面【中图分类号】Ｔ４１Ｕ７．７【文献标识码】Ｂ【文章编号】１１６６｛０７０ — １ — ２０ — ８４２０）５００００４
ＭＡＩＥＭ口， ‘ Ｅｌ
１ｊＩ［Ｎｎ，】ＮａＥＯＦＰ、皿ＴＴＹ】１ＩＥＡ慨ＰＥＳＯＮ［ｊ１｝１１１职ＯＦＲＯＡＤＢＮＰ巨ＥＤＩ】Ｉ＝

多年冻土路基水热力理论模型及计算

式中:为未冻水体积含量; B 为土体中水分扩散 B D() 系数 ( 主要考虑由含水量的差异引起 )c , ; (m /) s K() 6 为土体的导水率(m so c /) 在冻土地区, 由于温度的差值形成的温度梯度本身也会造成水分的流动, 同时伴有相变, 使得冻土地区水分迁移的控制方程更加复杂化.由此引人温度梯度水分扩散率 D 及含冰量或称为固相率的概 T 念, 在冻土路基水分迁移控制方程中考虑温度梯度和相变的影响.因此, 其控制方程式为
o Mi s y E ua o , aga U i ri , a 70 6 , hax, ia f n t o d ct n C n 'n v s y X 'n 04 S an i C n) i r f i h ne t i 1 h
A s at B sd te t l a o o te - a o ay prtr f l,h f i e m n bt c: ae o h cnr eut n h n ns t nr tm eaue d te t l et r n o o q i f o t i e i e i e n e cnrl ai o te i ue vm n ad t od es nl r a cl l i m dl o t eut n h m s r m e et te -i ni a n mei l c a o oe o q o f o t o n h w m o u c a u t n o te om t n d es d i te gae tippr s w r te pig cl f dfr ai a s s f ls h sb rd , s e p t fr ad cu l cl a h e o n t r i e n u h a u o h o n au - t n dl h ha m i ue t s f ls B te a cl l i ea pe h sco o i moeo te t o tr s es d. h dt l ua o xm lw t te t n o f e - s - r i e y e i a t n c i h ei f Q n hi i t h a K 33 5 i Jn ay ti ppr te epa s cu l g cs i a Tb h w y 9 +90 a ur, hs e fr r ln te p n poes g - e i g 3 n a uh x i h o i r o te t o tr s es ls d a zs it at g o te prtr, o tr f ha m i ue t s f d a a l e te e c n l f t eaue m i ue h e- s -r i e n ny h nr i a w h e m s ad es ls te gae I ifu d t r ite f eig l h sb rd , n srs f d i h sb rd. s n ta tee h u r z sii te gae te t i e n u t o h h s n e n o n u h m i ue n s te ei l e dr tm eaue d , e i vlm ece te os r t d t h f z g u e te prtr gas o c te ou e ed t r e o r n i n e n h e r n h c e x h cicl u ,h f ei dm g w lhp e. e erh ut i i t ta te prtr ri vle te z g ae l pn T rsac rsl n c e t t eaue ta a r n a e i a h e e s a h h e d m f l, o tr f l ad es l o te mars sb rd cag a te e te d - id m i ue d s s f d h pr f t gae n e h t , r i e s i n t e r i f e e o u h l l i m h e s - t b t g s es t asd te n e ha ad i ue h ky tr te s r ui o t s ta icue b h cag o et m s r ite f o fr f t i n f r h s y h f n o t s e a c o h r o dm gs 2 s 7 s 6 s a ae. a , f , rf tb i g e.

有限元计算在多年冻土区混凝土灌注桩温度场分布

有限元计算在多年冻土区混凝土灌注桩温度场分布黑龙江省混凝土及外加剂专家委员会摘要：针对在多年冻土地区建设青藏铁路时混凝土桥灌注桩水化放热引起周围冻土温度场变化这一实际工程问题，采用伽辽金法推导出带相变的瞬态温度场问题的有限元公式，在考虑混凝土作为放热边界的条件下综合考虑了气温变化、风速等多种因素，建立了多年冻土区混凝土桥灌注桩水化放热的传热模型，计算了由于混凝土水化放热引起的冻土温度场变化。

结果表明，混凝土水化热在浇注后半年内对多年冻土的温度场影响很大，回冻时间（融化的冻土温度重新回到天然状态的时间）长达2年以上。

而用粉煤灰和硅灰取代一定质量的水泥可以减少混凝土水化热对冻土热状况的影响。

关键词：多年冻土；水化热；温度场；有限元我国北方各省和西部的青藏高原属于寒冷地区或冻土区。

冻土是温度低于0℃且含有冰的土岩。

而多年冻土在两年或两年以上都处于冻结状态，只有表层几米的土层处于夏融冬冻的状态[1]。

在多年冻土地区的主要工程地质问题有融沉、冻胀等不良地质现象。

西部开发以来，青藏铁路格尔木—拉萨段将穿越多年冻土地段约553公里，收稿日期：2004-07-06。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（50078019）；哈尔滨工业大学校交叉学科基金项目（HIT. MD 2001.10）。

作者简介：巴恒静(1938~)，男，教授，博导；刘爱萍(1979~)，女，硕士。

线路通过许多山脉和盆地，复杂的地形要求线路只能“以桥代路”。

而混凝土桥灌注桩的使用却给环境带来了反作用，由于高强度、高耐久性等大体积混凝土在实际工程中的应用，混凝土在水化过程中放出大量的热，从而使周围冻土层不同程度的融化，造成建筑物的不均匀沉降。

不仅如此，混凝土还是一种导热性很差的建筑材料。

大体积Received date：2004-07-06。

Biography：Ba Hengjing (1938~), male, professor；Liu Aiping(1979-),female, master.E-mail: bahengjing2001@ ;liuaiping@混凝土由于中心温度高，散热慢，温度梯度大，在施工后相当长的时间内混凝土水化热对冻土都有影响。

热管稳定冻土路基的动态传热分析及数值计算

⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞ ⎜⎝⎛ ⎟⎠⎞ he = 0.32
ρ
l
0.65
k
l
0.3
C
pl
0.7ห้องสมุดไป่ตู้
g
0.2
q
e
0.4
ρ v 0.25 h fg 0.4 µ l 0.1
0.3
⋅
Psa t Pa
冷凝器中冷凝液膜传热系数hc
(11) (12)
hc
=
0.925
(ν
2 l
kl / g)1/ 3
Re
−1 l
/
3
雷诺(Reynolds)数
传冷量 (MJ)
1200 1000 800 600 400 200
管径 108 89 76 63 51
面积比=2.5
0
0
100
200
300
400
时间 (日)
图5 传冷量随时间变化关系
图 3 是热管管径变化对土体径向温度分布的影响曲线。受热管传冷影响的数米范围内，土体温度随热棒直径增加近似呈线性降低，而有效温降则近似呈线性增加。
2.4 计算方法讨论该模型不仅可模拟实际气温变化对传热的
影响，更重要的是所建立的方程组是显式方程，简单易解，仅用一次递推计算就可直接获得结果，不需逐次叠代，计算耗时短，适于工程计算使用。由于不需保留叠代结果，占用内存资源极少，故可将时间和半径区间划分的较小，有利于获得足够的计算精度。
本模型不足之处是将热管假设为一维传
年平均气温
Tnpj
平均风速
Uair
最热月平均气温
最冷月平均气温
平均日较差
Tnjc
平均昼夜温差
Tzyc

寒区路基温度场的数值分析

寒区路基温度场的数值分析摘要：为研究片石护坡对冻土路基稳定性的影响，建立了冻土路基温度场的三维数值计算模型，并采用有限元方法对普通路基、片石护坡路基在未来50年内气温上升2.6℃情况下的温度场进行了预报分析和比较。

计算结果表明：片石护坡路基融化深度均小于普通填土路基的融化深度。

随着时间的推移，片石护坡路基对于提升冻土上限起到了一定作用。

片石护坡对路基左侧、右侧的上限抬升幅度存在差异，路基左侧0℃等温线的抬升相对于右侧的上升幅度小。

关键词: 多年冻土;路基;片石护坡;稳定性;数值分析1引言地球上多年冻土分布面积广阔，全球多年冻土面积约占陆地面积的25%，我国多年冻土面积约占国土面积的22.4%[1]，随着社会、经济的发展，多年冻土地区公路、铁路等工程建设越来越多，冻土路基普遍存在的以冻胀和融沉为主的严重病害[2~4]，目前在对冻土的保护方面，采用片石护坡是其中一个措施。

在保护冻土路基的研究方面部分学者进行了相关研究[5~7]，其特点是对边界条件、初始条件进行假设，没有考虑实际地温场的变化及路基阴阳坡差异，因此造成计算结果可能和实际结果有差异。

本文针对上述情况，考虑路基阴阳坡差异，以现场实测地温场数据为依据，考虑受全球气候变暖的影响，青藏高原多年冻土区气温升高的条件下[8]，对普通路基和片石护坡路基的温度场变化进行了分析比较，进而对多年冻土区片石护坡对路基稳定性的影响进行分析。

2计算模型参数及初、边值条件本文以年平均气温为-5.6℃的唐古拉山冻土区的某路基结构为计算模型，计算中路堤高度取为4.0m，路基顶宽7.6m，边坡坡度取为1：1.5。

计算模型见图1、2所示。

计算区域中土体的密度和导热系数根据唐古拉山区钻孔取样实测值。

土体比热按照各物质成分加权平均计算，计算区域内土体参数见表1。

计算地段的初始温度场采用实测温度场，这样使得计算边界条件更接近与现场实际情况。

图1路基横断面图（单位：m）图2 路基三维有限元计算模型表1路基的土层热物理参数土层深度(m) 岩性说明含水量(%) 容重(g/cm3) 干容重(g/cm3) 热容量(kJ/(m3·℃) 导热系数(W/m·℃)融土冻土融土冻土地面以上路基填土，砂砾土 6.0 2.30 2.17 2183.0 1693.7 1.912.610~1.4m 细砂15.0 2.4 2.09 2785.2 1994.8 2.18 3.051.4~1.9m 粘土20.0 1.95 1.63 2676.5 2208.1 1.24 1.381.9~2.4m 粘土126.5 1.47 0.65 1030.0 890.0 1.13 1.582.4m~5.4m 粘土45.0 1.91 1.32 2990.1 2203.9 0.97 1.675.4m以下砂岩及风化岩15.0 2.18 1.90 2284.6 2284.6 2.702.703控制微分方程及有限元方程由于土体初始含水量不高，考虑到土骨架和介质水的热传导和冰水相变作用，且认为未冻水含量是温度的函数，因此对于冻土的冻结和融化过程均忽略土壤水份的流动和渗透作用。

高原多年冻土地区公路路基温度场现场实验研究_刘永智

文章编号:0451-0712(2000)02-0005-04高原多年冻土地区公路路基温度场现场实验研究刘永智　吴青柏　张建民　童长江　沈忠言(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室　兰州市　730000) [摘要]　以多年来的现场实测资料为依据,阐述了高低温多年冻土地区,沥青路面冻土路基下的地温分布及变化过程,提出了冻土路基的稳定性与多年冻土年平均地温之间的关系。

说明了多年冻土地区公路路基温度场现场实验研究,在高寒地区公路修筑中的实际意义和重要性。

关键词　公路工程　冻土路基　地温分布　冻结与融化指数文献标识码:B 高原多年冻土地区公路路基病害,80%以上是由于路基下部多年冻土的热融沉陷引起。

多年冻土区修筑公路以后,改变了地表与大气间的热交换条件,使多年冻土地温重新调整热平衡过程。

掌握这一过程的变化规律,保护多年冻土的融化,是保证冻土路基稳定的首要条件。

自1973年组建的第一期青藏公路科研组,在青藏公路的可可西里山区,建立第一个公路地温变化监测试验场起,高原多年冻土地区公路路基温度场现场实验研究,已历经了26个春秋。

在这26个春秋当中,青藏公路科研组先后组建了三期,每期科研组都将路基温度场现场实验研究,始终作为重要的研究课题,并进行了连续、细致、深入的研究工作[1,2]。

三期科研组先后针对不同路基高度、路面材料、地貌单元、冻土气候环境等条件,设立了观测场12个,地温观测孔约150个以上,连续观测历史最长的达12年之久,现仍在观测的区段有6处,观测孔65个,取得了一大批精度高、连续性好的实测资料,为各种路面的公路路基对多年冻土的影响程度、各种保护冻土方法措施的实施效果等,提供了可靠的基础资料[1,2]。

随着研究工作的不断深入,研究内容、方法手段的不断更新,对冻土路基温度变化过程认识的逐步提高与深化,获得了青藏公路发生的一系列冻土路基病害问题的发生、发展过程与路基内部温度变化过程的内在关系,提出了各种冻土环境条件下,路基底部的升温速率、融化速率、冻结融化指数等的重要参数,为青藏公路冻土路基病害治理提供了可靠的科学依据,同时给第一、二期青藏公路整治工程中的冻土路基稳定性与可靠性设计,奠定了扎实的理论基础。

大兴安岭多年冻土区路基热稳定性影响分析

经验推广1引言凡温度等于或低于0℃，并且含有冰的土均称为冻土。

在自然界，冻结状态持续两年以上的土层称为多年冻土。

影响多年冻土区路基热稳定性的因素有许多，分析研究不同因素对路基热稳定性的影响，是解决多年冻土地区路基诸多病害的根本性问题，也对多年冻土地区的道路设计理论具有一定的指导意义和参考价值。

2影响因素的分析路基热稳定性的影响因素主要有外部的气候条件、冻土的内在因素以及公路的工程特点。

2.1外部气候条件2.1.1气温在诸多气候要素中，气温是很重要的能量指标。

气温变化将直接影响多年冻土的生存环境。

改变了多年冻土的平面分布与垂直分布,致使多年冻土呈现退化趋势,严重影响路基的热稳定性。

2.1.2太阳辐射太阳辐射也是影响多年冻土稳定性的重要因素，是路基边界处能量交换的重要方式。

由于大兴安岭地区太阳辐射强烈,多年冻土吸收的辐射能较多,极不稳定，致使大兴安岭多年冻土区的路基热稳定性较差。

2.1.3风速和风向高纬度上常年的西北风致使路基北侧边坡在冬季更加容易冷却，温度比南侧边坡低。

致使大兴安岭公路路基阴、阳坡热差异在冬季十分明显，路基的不均匀变形及路基纵向裂缝等病害也多在冬季发育。

2.1.4大气降水大气降水经边坡处渗入路基内部，使路基原有的含水状况发生改变，潮湿路基的热容量较大，其冻胀量也较大，暖季到来之时亦易产生翻浆，对路基稳定性不利。

2.2冻土的内在因素冻土的内在因素主要包括：多年冻土的平面分布、多年冻土的天然上限、地下含冰量和含水量以及土质类型。

不同的影响因素将会产生不同的干扰能力，进一步的影响着多年冻土区路基的热稳定性。

2.3公路工程特点2.3.1路基高度多年冻土地区的路基高度是影响路基下伏多年冻土层稳定性的重要因素。

多年冻土路基不仅需要保证最小高度，还需要限制最大高度。

因此，为了保证路基的安全，路基高度应予以限制在一定范围以内。

2.3.2路线走向影响路基热稳定性的重要因素就是路线的走向。

多年冻土地区路基与一般地区路基的一个重要不同之处，就在于其稳定性与路线走向密切相关，即具有坡向性的特点。

混凝土路面温度场的数值模拟与分析

混凝土路面温度场的数值模拟与分析一、引言混凝土路面温度场的数值模拟与分析是交通工程领域中一个重要的研究方向。

混凝土路面温度场的分析可以帮助我们更好地理解路面结构的变化及其对行车安全和路面寿命的影响。

二、混凝土路面温度场的数学模型混凝土路面温度场的数学模型是一个非常复杂的问题。

在建立数学模型时，需要考虑多种因素，如气象条件、路面材料、路面结构、车辆行驶等。

目前，常用的混凝土路面温度场数学模型包括以下几种：1. 基于传热学的模型基于传热学的模型是最基础的混凝土路面温度场模型。

该模型基于热传导方程，考虑路面材料的热导率、比热容和密度等因素。

然而，这种模型无法考虑气象条件、路面结构和车辆行驶等因素的影响。

2. 基于气象学的模型基于气象学的模型考虑气象条件对混凝土路面温度场的影响。

该模型基于能量平衡方程，考虑太阳辐射、大气辐射、对流和蒸发等因素。

然而，该模型无法考虑路面结构和车辆行驶等因素的影响。

3. 基于有限元法的模型基于有限元法的模型可以考虑气象条件、路面结构和车辆行驶等因素的影响。

该模型基于有限元法，将路面结构离散为有限个单元，考虑每个单元的热传导和热辐射等因素。

该模型具有较高的精度，但计算量较大。

三、混凝土路面温度场的数值模拟混凝土路面温度场的数值模拟是基于数学模型进行计算的过程。

在进行数值模拟时，需要考虑模型的准确性和计算效率。

1. 模型准确性模型准确性是数值模拟的关键。

在进行数值模拟时，需要选择适当的数学模型，并考虑多种因素的影响。

同时，需要根据实际情况对模型进行修正和调整，以提高模型的准确性。

2. 计算效率计算效率是数值模拟的另一个关键。

在进行数值模拟时，需要选择适当的计算方法，并考虑计算资源的限制。

同时，需要对计算程序进行优化，以提高计算效率。

四、混凝土路面温度场的分析混凝土路面温度场的分析是基于数值模拟结果进行的。

在进行分析时，需要考虑模拟结果的准确性和实际应用的意义。

1. 模拟结果的准确性模拟结果的准确性是分析的关键。

混凝土路面温度场的数值模拟与分析

混凝土路面温度场的数值模拟与分析一、研究背景混凝土路面是公路交通中的重要组成部分，其稳定性和耐久性直接影响着交通安全和道路的使用寿命。

在高温季节，混凝土路面温度升高，易导致路面开裂、变形等问题，影响路面的使用性能。

因此，对混凝土路面的温度场进行数值模拟和分析，有助于评估其热稳定性和耐久性，为混凝土路面的设计和施工提供科学依据。

二、研究内容本研究主要针对混凝土路面的温度场进行数值模拟和分析，包括以下内容：1. 混凝土路面的热传导模型建立混凝土路面是一个多相介质，其热传导过程受到多种因素的影响，如路面厚度、材料热导率、日照时间等。

本研究采用热传导方程，结合路面的物理特性和环境因素，建立混凝土路面的热传导模型。

2. 数值模拟方法选择本研究采用有限元方法对混凝土路面的温度场进行数值模拟。

有限元方法是一种较为常用的数值分析方法，可模拟复杂的物理现象，具有精度高、适用范围广等优点。

3. 材料参数的确定混凝土路面材料的热导率、比热容等参数是数值模拟中重要的输入参数，本研究将通过实验等方法确定这些参数值，以提高数值模拟的精度和可靠性。

4. 数值模拟结果分析本研究将通过数值模拟方法，得到混凝土路面不同位置的温度分布情况，并对不同环境条件下的温度场进行分析，探讨混凝土路面的热稳定性和耐久性问题。

三、研究方法1. 热传导模型的建立混凝土路面的热传导模型可以通过热传导方程描述，其形式如下：∂T/∂t=α∇^2T其中，T表示温度场，t表示时间，α表示热传导系数，∇^2表示Laplace算子。

在建立混凝土路面的热传导模型时，需要考虑路面的物理特性和环境因素，如路面厚度、材料热导率、日照时间等。

2. 数值模拟方法的选择有限元方法是一种常用的数值分析方法，其基本思想是将要研究的物理问题分割成有限个小单元，在每个小单元内建立适当的数学模型，通过求解这些小单元的方程组，得到整个问题的解。

在本研究中，将采用有限元方法对混凝土路面的温度场进行数值模拟。

多年冻土区水泥混凝土路面下冻土路基温度场数值分析_王大鹏

高温极不稳定多年冻土段 -0.1 1.7
阴坡 0.5 1.2 1.5
水泥路面沥青路面
1.5
3.7
2.5
4.6
2.7
4.9
对于计算模型 AH 及FG 边界 , 其边界条件为 :
T n
=0
(x
,
y)∈
AH
∪
FG
。
(2)
第 1 期王大鹏 , 等 :多年冻土区水泥混凝土路面下冻土路基温度场数值分析 47
度的函数 , 又因研究对象含水量不高 , 可以忽略融化过
程中的对流作用、质量迁移、水热蒸发和其他作用。冻
土中温度 T (x , y , t )应满足带相变的热传导微分方程[ 5 -6] :
冻结区 :
Cf
Tf = tx
λf
Tf x
+y
λf
Tf y
,
未冻结区 :
(4)
Cu
Tu = tx
λu
多年冻土区水泥混凝土路面下冻土路基温度场数值分析
王大鹏1,2 , 傅智2 , 易洪3 , 房建宏4 , 李焕青4
(1.东南大学 , 江苏南京 210096;2.交通部公路科学研究院 , 北京 100088; 3.交通部管理干部学院 , 北京 065201;4.青海省公路科研勘测设计院 , 青海西宁 810001)
面层温度 , 并根据观测温度的变化特征及青藏高原气
候变暖的影响 , 将下附面层底的温度变化拟合成如下
三角函数形式[ 3 -4] :
f(t)=t0 +R0 t +A0 sin
2π 8 760
t
-
3 5
π
,

多年冻土地区工程桩桩侧冻结力数值分析_徐春华(已打)

第39卷　第4期2007年4月　哈　尔　滨　工　业　大　学　学　报J OURNAL OF HARBI N I NSTI TUTE OF TECHNOLOGYVo l .39N o .4Apr .2007多年冻土地区工程桩桩侧冻结力数值分析徐春华1,徐学燕1,邱明国1,慕万奎2(1.哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨150090,E -m ail :xuchunhua -h it @sina .co m ;2.黑龙江省交通科学研究院,哈尔滨150080)摘　要:依据侧向冻结力试验无厚度的非线性接触面单元模拟桩土界面,采用双曲线非线性模型冻土本构关系编制三维非线性有限元程序.数值分析得P -s 曲线与现场静载试验P -s 曲线吻合程度良好,结果表明:桩周冻土温度、桩径、桩长强烈影响着桩侧冻结力的分布状态,得到桩侧冻结力的分布影响规律;增大桩径是提高工程桩承载力、减小沉降量的有效措施;增大设计桩长对提高工程桩承载力贡献较小.关键词:多年冻土;冻结强度;桩侧冻结力分布;三维非线性有限元中图分类号:TU445文献标识码:A文章编号:0367-6234(2007)04-0542-04Nu m er i cal anal ysis of adfreez i ng force of engi neeri ng p ile i n per m afrostXU Chun -hua 1,XU Xue -yan 1,Q I U M i n g -guo 1,MU W an -kui2(1.Schoo l of C ivil Eng inee ri ng ,H arbin Instit u t e o f T echno logy ,Ha rbin 150090,China ,E -m a il :xuchunhua -h it @sina .co m ;2.H eil ong ji ang T ranspo rtati on R esearch Institute ,H arb i n 150080,Chi na )Abst ract :Based on adfreezi n g fo rce w ith frozen soil and concre t e test da ta ,contact e l e m ents of zero t h ickness i m itating interface o f p il e and per m afrost a r e inducted ,and bi -linear constitutive r e lations are i n troduced as non linear constit u tive relations of soil e le m ents and i n t e rface e le m ents in or der to consider per m anent disp l a ce -m en.t A 3-D nonlinear FE M prog r a m is a lso developed .The calcu lated load -se ttle m en t cu r ve and tha t ob -tained fro m in -situ t e st are in w e ll agree m ent ,wh ich verifies the m ode.l The distribution status and the varia -tion la w s o f adfr eezing fo rce are considerably affected by g r ound te m peratur e ,p il e dia m e t e r and pile length .W hen pile d ia m e ter increases ,the beari n g capacities o f piles can be i m p r oved .Increasing pile leng t h m akes a little contri b u ti o n to i m prove the bea ring capacit y .K ey w ords :per m afr ost ;freezing strength ;adfr eezing fo rce distribution ;3-D non linear FE M 收稿日期:2005-07-14.基金项目:国家自然科学基金资助项目(40571032):西部交通建设科技资助项目(200231877406).作者简介:徐春华(1978—),男,博士研究生;徐学燕(1946—),女,教授,博士生导师. 对单桩在轴向荷载作用下,沿桩身产生的桩侧冻结力随着桩土之间的剪切变形不断变化的全过程进行分析探讨,可正确地理解多年冻土地区桩基的工作性能,阐明冻土区单桩荷载传递机理,建立一套更适用、完善的桩-冻土共同作用模型.事实上多年冻土区桩侧冻结力值是随着桩顶荷载及深度等各种因素而变的,而且温度效应影响显著.冻土地区桩基承载与非冻土地区桩基相比,有一个非常鲜明的不同之处是冻土地区的桩基承载主要来自桩侧壁与冻土之间的冻结力,可以采用冻土沿桩基础表面的界面剪切强度来度量.该冻结力只有在桩体与土之间发生相对位移或有发生相对位移的趋势时才能表现出来,而且与外力的作用方向相反.目前关于多年冻土地区单桩承载研究仅限于模型试验[1-6],工程桩侧向冻结力分布状况数值研究尚未见有关报道.因此,讨论承载力的主要影响因素、分析荷载传递的机理、研究在轴向受力条件下多年冻土桩侧冻结力变化规律对多年冻土地区工程设计具有重要的指导作用.1　有限元分析模型建立1.1　空间几何模型整个模型体系包括:混凝土桩体、冻土土体、桩-冻土接触面单元.对于单桩而言,根据其对称性,取1/4部分建立空间几何模型,计算区域为11d×11d×(l+h),d为桩径、l为桩长、h为下卧层厚度,整个桩基模型共划分1783个单元、2326个节点,桩土之间设置16个接触单元.在分析过程中,混凝土桩体、冻土土体单元均采用实体单元即空间六面体八节点等参单元,为了模拟加载过程,将桩顶竖向荷载分成若干级施加.当荷载{p}作用于桩顶时,结点将产生相应的位移{δ}.由于冻土的本构关系是非线性的,本文采用中点增量法进行非线性分析,用线性的σ与ε的关系来拟合求解非线性的{p}与{δ}的关系.1.2　桩周冻土的计算参数选取桩周冻土采用水平层状模型,天然冻土分3层,依次为冻结粉质粘土、冻结砂土、冻结砾石土.在实际工程中,需考虑冻土的变形与时间关系即蠕变特性,因而数值模拟过程中,为考虑冻土的蠕变特性,计算中未选取瞬时的力学参数,而采用冻土的长期极限粘聚力、长期冻结强度.冻结砂的内摩擦角与加荷时间无关,而对冻结粘土的特征是粘聚力及内摩擦角随荷载作用时间而变化[7].所以本文对模型参数的取值时均是按长期极限值来选用.在本研究中冻土应力-应变关系的非线性选用了非线性双曲线模型[8],满足工程需要;与此相应,桩-冻土接触面采用无厚度的非线性接触面单元来模拟冻结力的发挥;各单元服从M ohr-Co l o m b破坏准则.桩体钢筋混凝土处于线弹性工作状态,因此,假设桩体钢筋混凝土为均质、各向同性、线性弹性体.1.3　桩侧向冻结力试验及桩-冻土接触面本构关系试验采用土与混凝土圆柱冻结在一起的试样,试验变化参数为冻土温度、土的类型和含水量.含水量取值均为大兴安岭北部漠河县通衡运输公司客运站工程的岩土工程勘察报告.试样尺寸混凝土圆柱周长为21.68c m,埋入冻土中的深度10c m,剪切面积216.8c m2.试样制备用压实法将桩周填土分为5层压实,试样内埋设热电偶测温.试样制备好后置于-15～-18℃低温下单向冻结,冻结时间为72h,然后置于剪切试验所要求的负温下恒温,恒温时间48h.控制加荷方法采用应力控制形式,应力控制每分钟加荷0.04～0.06MPa.混凝土圆柱经拉拔剪切得到的结果为整个混凝土圆柱侧面的冻结强度平均值.温度为-4℃的条件下,测得水的质量分数19.9%的冻结粉质粘土与混凝土圆柱间的冻结强度τ与剪切变形s关系曲线(见图1).接触面本构关系是指接触面剪应力τ与相对切向位移u之间的关系.在接触面附近土体中的剪应变与剪应力在接触面法线方向的梯度非常大,因此,τ～u要表现出明显的非线性.由冻结强度与剪切变形的非线性关系(见图1),得出τ～u 双曲线型关系,则τ=ua+b u(1)式中:a、b为两个参数,由实验确定.图1　冻结强度与剪切变形关系曲线1.4　实例验证本文以大兴安岭北部漠河县通衡运输公司客运站工程的钢筋混凝土灌注桩基为计算对象,桩周冻土温度为-0.5℃、桩径600mm、桩长9000 mm.计算模型中冻土力学参数依据该工程的岩土工程勘察报告中的三轴试验结果及有关文献[9～11]进行取值(见表1).表1　漠河多年冻土的主要物理力学指标层土层名称温度/℃层厚/m重度/(kN m-3)内摩擦角/(°)粘聚力/kPaK nνR f接触面单元参数R fτf/kPa K m ax M/Pa1粉质粘土-0.53.019.4221008000.70.450.850.83120120 2中砂-0.53.018.8251409000.70.320.850.83160100 3砾石土-0.51221.8201309000.70.480.850.83150120 多年冻土中地区桩基载荷试验应待冻土地温恢复正常后方可进行.将漠河多年冻土区的钢筋混凝土灌注桩回冻[12]后现场快速加荷试验所得荷载-沉降曲线与数值计算结果进行了比较,如图2所示,两曲线吻合较好,特别是初始加载阶段几乎重合,表明多年冻土区混凝土灌注桩在受荷时表现出很强的非线性工作性能,说明该数值分析模型在工程中是适用的.543第4期徐春华,等:多年冻土地区工程桩桩侧冻结力数值分析图2　漠河多年冻土区桩基实测P -s 曲线与数值计算2　多年冻土区工程桩冻结力分布规律分析2.1　冻土温度对桩侧冻结力分布规律的影响桩周冻土温度不同,桩侧冻结力的发挥程度不同.由图3可得,在同一桩顶荷载情况下,沿桩身0～1/3l 段,桩侧冻结力随冻土温度降低而增大;1/3l ～l 段,随冻土温度降低桩侧冻结力反而减小,说明桩顶荷载沿桩侧传递随着温度降低,桩身上半部分分担的荷载更大,即侧冻结力有更大的发挥.中性点是桩周冻土温度变化桩侧冻结力分布的特征点.中性点以上桩侧冻结力随冻土温度降低而递增,中性点以下桩侧冻结力随冻土温度降低而递减.因此,中性点是桩侧冻结力不受冻土温度变化影响的断面.图3所示的桩侧冻结力分布曲线表明,在相同桩顶荷载条件下,随着冻土温度降低,桩侧冻结力峰值位置由6.5～7m处逐图3　不同冻土温度时桩侧冻结力分布曲线渐沿桩身上移到2～2.5m 处.在桩长1/3处(图3埋深3m 处),冻土温度变化时桩侧冻结力分布曲线出现交叉点即“中性点”,该位置桩侧冻结力发挥基本不受冻土温度变化的影响.从图4可以看出,在同一荷载等级下,随着桩周冻土温度的降低,桩顶沉降量减小;桩顶荷载为3391.2kN ,冻土温度从-1℃降低到-2℃时,桩顶沉降由7.7mm 减少到5.3mm ,减幅31%;桩顶荷载为5086.8kN ,冻土温度从-1℃降低到-2℃时,桩顶沉降由22.5mm 减少到9.4mm.因此,多年冻土的退化可降低冻土区工程桩的承载力,在承受相同荷载的情况下,维护桩周冻土温度的不升高可以有效地防止沉降量增大.图4　冻土温度与桩顶沉降关系曲线2.2　桩长对桩侧冻结力分布规律的影响由图5可看出,桩侧冻结力峰值均出现在埋深1/3l 处,但在1/3l ～l 段,在相同归一化深度位置图5　不同桩长时桩侧冻结力分布曲线544 哈　尔　滨　工　业　大　学　学　报第39卷　处,桩侧冻结力随桩长增加而相对减小.在相同荷载等级下,随着桩长的增加,桩顶沉降略微减小.在桩顶荷载为5086.8kN 时,增加桩长对桩顶沉降影响很小;桩顶荷载分别为6782.4k N 、8478.8kN 时,桩长由12m 增大到15m ,桩顶沉降基本无变化(见图6),说明多年冻土区增大设计桩长对提高工程桩承载力贡献不大.图6　桩长与桩顶沉降关系曲线图7　不同桩径时桩侧冻结力分布曲线图8桩径与桩顶沉降关系曲线2.3　桩径对桩侧冻结力分布规律的影响在相同桩顶荷载下,桩侧冻结力沿桩身分布的峰值均出现在1/4l ～1/3l 位置(见图7).在同一荷载等级下,随着桩径的增大,桩顶沉降量大大减小;桩顶荷载为4239kN ,桩径从0.6m 增大到0.8m 时,桩顶沉降由4.981mm 降到3.26mm ,减幅35%;桩顶荷载为9891kN ,桩径从0.6m 增大到0.8m 时,桩顶沉降由13.945mm 降到8.716mm ,桩径增大到1.0m 时,沉降量减小到6.189mm ,沉降量降幅均在30%～37%(见图8).因此,增大桩径是提高多年冻土区工程桩承载力、减小沉降量的有效途径.3　结　论1)桩周冻土温度、桩径、桩长影响着桩侧冻结力的分布状态.2)不同桩周冻土温度时桩侧冻结力沿桩身分布曲线簇在1/3l 处出现交叉点,即提出“中性点”概念,中性点以上桩侧冻结力随冻土温度降低而递增,中性点以下桩侧冻结力随冻土温度降低而递减.3)增大桩径是提高多年冻土区工程桩承载力、减小沉降量的有效途径.增大设计桩长对提高多年冻土区工程桩承载力贡献较小.参考文献:[1]朱元林,吴紫汪,何平,等.我国冻土力学研究新进展及展望[J ].冰川冻土,1995,17(增刊):6-14.[2]张建明,朱元林,张家懿.动荷载下冻土中模型桩的沉降试验研究[J ].中国科学(D 辑),1999,29(增刊1):27-33.[3]张建明,朱元林,张家懿.动荷载下桩与冻土间冻结强度试验研究[C ].//第五届全国冰川冻土大会论文集(上).兰州:甘肃文化出版社,1996.789-793.[4]徐学燕,张培柱,安莹.锥形桩改良土体冻胀性和融沉性研究[J ].冰川冻土,1997,19(4):354-358.[5]邱明国,李海山,徐学燕.冻土中桩破坏模式的试验研究[J ].哈尔滨建筑大学学报,1999,32(5):39-42.[6]邱明国,徐学燕,李海山,等.冻结粉质粘土中锥形桩弹性阶段挤扩效应的研究[J ].冰川冻土,2002,24(5):668-671.[7]H.A.崔托维奇著.张长庆.冻土力学[M ].朱元林,译.北京:科学出版社,1985.[8]何　平,程国栋,朱元林.冻土粘弹塑损伤耦合本构理论[J ].中国科学D 辑,1999,29(S1):34-39.[9]J G J118-98冻土地区建筑地基基础设计规范[S ].[10]李洪升,朱元林著.冻土断裂力学及其应用[M ].北京:海洋出版社,2002.[11]王丽霞,凌贤长,徐学燕,等.青藏铁路冻结粉质粘土动静三轴试验对比[J ].岩土工程学报,2005,27(2):202-205.[12]徐春华,徐学燕,邱明国.漠河多年冻土区砼灌注桩承载力形成时间数值分析[J ].岩土工程学报,2005,27(10):1190-1193.(编辑　姚向红)545 第4期徐春华,等:多年冻土地区工程桩桩侧冻结力数值分析。

冻土路基温度场数值模拟

- 110 ℃。
213 初始条件
在路基没有修筑以前 ,原始土层的温度状况 ,可
以通过在地基土层的上边界 EK边施加变化的温度 ,
温度的变化仍采用式 ( 1 )的三角函数 ,只是式中的 g
( t) = A t = 0,即温度逐年增长速率为零 ,取计算模型
整个 EK边上附面层的温度增量为 2 ℃。则该函数
时间长度 (在有限元计算中为一个步长的时间长度 ) ,
单位 h。
A = 0. 03 /8 640 = 3. 5 ×10 - 6 ℃ / h
Ts ———附面层底的初始年平均温度 ; Ts = T0 +ΔT; T0 ———初始年平均气温 ;ΔT———附面层总温度增量。
由当地气象站的观测资料可知 ,该地区的 2003年
的焓值。
312 导热系数的计算
每单位温度梯度下单位时间内通过单位面积土体
的热量称作导热系数 ,单位 : W / (m ·℃) 。冻融土的
导热系数与土的物质成分关系密切。土中各组成物质
的导热系数如表 3所示。
土体的导热系数可根据各组成物质的导热系数及
其相应的体积比 ,按式 ( 11 )和 ( 12 )计算 ,计算时只考
0 引言
冻土区公路、铁路路堤的修筑将不可避免地改变土体天然水热状况 ,这种温度场的重新分布将引起路堤及其周围土层下的多年冻土上限发生变化 ,从而产生融沉、冻胀等影响路基稳定性的现象 ,进而影响到路基的使用功能与运营安全。
所以 ,多年冻土区铁路路基的热状况是决定铁路路基稳定性的关键因素。了解在气候变化的条件下 , 冻土路基在修筑后的地温响应过程及特点也是分析路基长期变形特征以及路基长期稳定性问题的基础。

浅析机场建设多年冻土地基温度场特征分析

浅析机场建设多年冻土地基温度场特征分析发布时间：2022-08-30T08:54:41.797Z 来源：《工程建设标准化》2022年第4月第8期作者：王燕奎[导读] 本文以多年冻土地基为研究对象，对其温度场特征进行了分析，并对机场在多年冻土地基中的建设现状进行了介绍，同时还对道面宽度对道中地基融深的影响进行了分析，为冻土区机场的施工建设提供了一定的理论基础。

王燕奎新疆机场（集团）有限责任公司（新疆乌鲁木齐 830001）摘要：本文以多年冻土地基为研究对象，对其温度场特征进行了分析，并对机场在多年冻土地基中的建设现状进行了介绍，同时还对道面宽度对道中地基融深的影响进行了分析，为冻土区机场的施工建设提供了一定的理论基础。

关键词：多年冻土；温度场；有限元分析；机场道面中国机场将按照中国机场的发展计划，在多年冻土地区进行机场的建设。

近年来，我国多年冻土区机场的建设还处于起步阶段，而在多年冻土条件下，还没有一套完整的技术数据。

针对这一问题，本文建立了多年冻土区机场道面基础的有限元数值模拟方法，比较了不同道面宽度的温度场和地基消融深度，为机场跑道的施工提供了理论依据。

1有限元模型概述1.1温度场控制方程从热传导与质量迁移的角度出发，如果不考虑土中的蒸气损失，只考虑水的迁移和冰-水的相变，忽略了对流换热，则不稳定的热传导方程为：同时，移动的相变界面ξ（t）上，也要符合连续的温度和能量守恒条件。

式中：T为温度；t为时间；kx、ky分别为导热系数分量；c为土体的质量热容；ρ为土体的密度；ρw为水的密度;L为冻融潜热；1.2计算模型可以把机场跑道的长度看作是无限的，所以可以把它简化为一个平面。

本文通过对青藏高原冻土地区典型基础剖面的分析，对其进行了数值模拟[1]。

土壤自上而下的厚度为2.3、1.6、16.1 m。

I区为路面构造层，其面层厚度为0.05 m，基础和垫层为0.3 m。

按照民航机场的有关道面设计规范，对道面的宽度选取分别为18、25、30、35、40、45、50、55、60 m。