冻土水—热耦合模型在某铁路路基中的应用研究
季节性冻土的水_热_力建模与数值分析_李东庆
２
中 国 公 路 学 报 ２ ０ １ ２年 ｒ ｉ ｔ ｃ ｕ ｓ ｈ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｄ ｂ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｒ ｅ ｌ ｏ ｗ ｅ ｒ ｔ ｈ ａ ｎ ｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ｉ ｔ ｈ ｒ ｉ ｔ ｃ ｕ ｓ ｈ ｉ ｏ ｎ ｇ ｇ ｙ ｇ ｕ ｎ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｄ ｂ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ． ｇ ｙ ： ； ；ｎ ；ｍ ， Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓｒ ｏ ａ ｄ ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｓ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ ａ ｌ ｆ ｒ ｏ ｚ ｅ ｎ ｓ ｏ ｉ ｌ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｏ ｄ ｅ ｌ ｌ ｉ ｎ ｏ ｆ ｍ ｏ ｉ ｓ ｔ ｕ ｒ ｅ ｇ ｇ ｙ ｇ ｙ ｈ ｅ ａ ｔ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ 一问题 。
收稿日期 ： ２ ０ １ １ ０ ５ ０ ７ － － “ ） ； ） ； 基金项目 ： 国家高技术研究发展计划 （ 八六三 ” 计划 ） 项目 （ 国家自然科学基金项目 （ ２ ０ ０ ８ ＡＡ １ １ Ｚ １ ０ ３ ４ ０ ６ ７ １ ０ ３ ９ ） ； ） ； 中国科学院西部行动计划项目 （ 冻土工程国家重点实验室开放基金项目 （ Ｋ Ｚ Ｃ Ｘ ２ Ｂ ２ １ ０ Ｓ Ｋ Ｌ Ｆ Ｓ Ｅ Ｚ Ｙ ０ ３ －Ｘ － － － ） 多年冻土区公路建设与养护技术交通行业重点实验室青海研究观测基地开放基金项目 （ ２ ０ １ １ ４ １ － － ， ： 。 作者简介 ： 李东庆 （ 男， 甘肃武威人 ， 研究员 ， 博士研究生导师 ， 工学博士 ， １ ９ ６ ３ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｄ ｌ ｉ ｌ ｚ ｂ． ａ ｃ ． ｃ ｎ －） ＠ ｑ
铁路路基冻害原因及整治技术探究
铁路路基冻害原因及整治技术探究摘要: 在高寒地区的铁路路基往往会发生冻害，影响铁路的正常运行。
本文就以同煤集团青磁窑铁路专用线路基冻害影响及其整治技术进行一下讲解，分析一下路基冻害形成的原因，针对不同因素造成的冻害，采用的不同的治理措施，希望对今后相关内容的讨论提供一定的参考。
关键词: 路基；冻害；原因分析；防治措施前言青磁窑铁路全长9.79km，冻害主要集中在青磁窑专用线2.9km处，该地区干旱少雨，温差较大，最低气温－33.3℃；年平均降雨量为114 ～195 mm，东多西少，大部分集中在7 ～9 月。
该铁路的钢轨轨面的最大冻结高度达35 mm，主要是发生在严寒地区的线路段，由于冬季长，这一路段多为冻胀敏感性土；路堤内含水率一般为18 % ～25 %。
青磁窑专用线在每年发生线路冻害严重的时间主要集中在12月至次年的2月，严重影响行车安全。
因此，应根据不同地段的情况，提出不同的治理措施，消除冻害，确保安全运营。
1 青磁窑线冻害特点调查分析通过我公司管辖范围内冻害地段的调查可以得出:(1) 经调查，在发生冻害线路段处，排水不良、排水设施损坏、维修养护不及时等问题尤为突出。
(2) 发生冻害地段以粉质粘土和砂粘土为主。
(3) 冻害主要发生在小路堑、低矮路堤、涵洞和路桥过渡地段。
(4) 发生冻害路段的含水率，一般都大于20 %;地下水埋藏较深路段，几乎对冻害无影响；两侧的灌溉农田对冻害影响较大。
(5) 部分涵洞地段由于设计的过水能力不足，导致涵顶有冻害产生。
(6) 部分路段路基下沉，在列车荷载作用下，道碴两侧土垄较高产生冻害。
(7) 冻胀从每年12月底开始，最大冻胀量出现在次年1 月底，2 月为稳定期，3 ～ 4 月开始消融并伴随翻浆冒泥、路基下沉。
2 青磁窑铁路冻害原因分析形成冻害的因素有: 温度、水分、土质等。
线路填料质量较差。
由于降水及地表径流使路基内部含水率过大，又不能及时排出，且道床污染没有彻底清筛，致使冻害连年连续发生。
岛状多年冻土区高速铁路路基热状态及工程措施效果分析
岛状多年冻土区高速铁路路基热状态及工程措施效果分析刘晓贺;蔡德钩;闫宏业;张先军;王斌;刘浩【期刊名称】《铁道学报》【年(卷),期】2024(46)3【摘要】为揭示岛状多年冻土区高速铁路路基热状态,提出合理有效的制冷结构,在新建哈尔滨至伊春高速铁路某车站试验段开展现场监测,获得岛状多年冻土的地温数据;基于实测地温数据,采用冻土水热耦合理论,对将在试验段实施的两侧双排普通热棒路基、两侧双排+中心单排全季热棒路基、两侧单排+基底横向通铺全季热棒路基3种制冷路基结构进行数值模拟,对比了3种制冷路基结构的地温分布特征及对下伏岛状多年冻土的降温效果。
研究结果表明:铁力地区年均气温和降水呈增大趋势,天然场地岛状多年冻土地温在-0.3℃左右,属于高温极不稳定多年冻土。
3种制冷路基结构中,两侧单排+基底横向通铺全季热棒对岛状多年冻土保护及降温效果最优,两侧双排普通热棒最差。
普通热棒路基的多年冻土上限呈“两侧凸,中间凹”形态,抬升不明显;全季热棒路基的多年冻土上限呈“上凸缓斜平顶”形态,抬升显著。
研究成果可对多年冻土区高速铁路路基建设和结构优化提供技术支撑。
【总页数】10页(P145-154)【作者】刘晓贺;蔡德钩;闫宏业;张先军;王斌;刘浩【作者单位】中国铁道科学研究院研究生部;中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所;中国国家铁路集团有限公司工程管理中心;黑龙江铁路发展集团有限公司【正文语种】中文【中图分类】U213.1【相关文献】1.青藏铁路多年冻土区路基热防护工程效果分析2.高温不稳定多年冻土区片块石路基热状态变化分析3.高纬度岛状多年冻土区公路路基施工技术分析4.热棒在根拉公路岛状多年冻土路基工程中的应用研究5.青海柴木铁路多年冻土区片石路基工程措施效果的模糊评价因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
寒区高速铁路路基冻胀数值模型及防冻胀措施
寒区高速铁路路基冻胀数值模型及防冻胀措施邰博文;刘建坤;李旭;岳祖润;沈宇鹏【摘要】寒区高速铁路路基的冻胀融沉直接影响列车的高速、安全和平稳运行.基于非饱和土渗流和热传导理论,将冻土水分场和温度场耦合,建立冻土的水热耦合微分方程;基于土体冻胀为各向同性的体积膨胀并且与材料的热膨胀现象相似,建立路基的冻胀模型;由水热耦合微分方程计算含冰量,再通过水动力冻胀模型计算路基的冻胀变形.数值计算与实测的路基冻胀变形规律基本吻合,均在路基达到最大冻结深度且冻结层开始双向融化时产生冻胀峰值,验证了数值模型的有效性;运用建立的数值模型分别计算保温板路基、保温板+沥青混凝土路基和保温板+沥青混凝土路面+碎石路基在最强冻胀效应时刻的冻胀变形,保温板+沥青混凝土路面+碎石路基的冻胀变形最小(最大值为1.3 mm),保温板路基的冻胀变形最大(最大值为3.2 mm).建议在寒区高速铁路采用保温板+沥青混凝土路面+碎石路基的结构以尽量减小路基的冻胀变形.%The Frost heaving and thawing settlement of high speed railway subgrade in cold region directly affect the high-speed,safe and stable operation of the train.Based on the theories of unsaturated soil seepage and heat transfer,the moisture and temperature fields of frozen soil are coupled to establish the moisture-temperature coupling differential equation for frozen soil.Based on the similarity between isotropic volume expansion of soil and the thermal expansion of material,subgrade frost heaving model is established.The ice content is calculated by water-heat coupling model and the frost heaving deformation of subgrade is calculated by hydrodynamic frost heaving model.Numerical calculation and measured results show that the subgradefrost heaving deformation law is basically the same.The frost heaving peak values all occur when subgrade reaches the maximum freezing depth and freezing layer begins to melt bidirectionally,and the validity of the numerical model is verified.The frost heaving deformation of three different kinds of subgrade at the moment of the strongest frost heaving effect has been calculated according to the established numerical model respectively,namely,subgrade only with insulation board,subgrade with both insulation board and asphalt concrete pavement as well as subgrade with insulation board,asphalt concrete pavement and gravel.Results show that the frost heaving deformation of subgrade with insulationboard,asphalt concrete pavement and gravel is the minimum (the maximum value is 1.3 mm) while the subgrade with insulation board is the maximum (the maximum value is 3.2 mm).The sub grade with insulation board,asphalt concrete pavement and gravel is recommended to be applied for high speed railway in cold region to minimize the frost heaving deformation of subgrade.【期刊名称】《中国铁道科学》【年(卷),期】2017(038)003【总页数】9页(P1-9)【关键词】路基;寒区;冻胀;数值模型;冻结深度;防冻胀措施;高速铁路【作者】邰博文;刘建坤;李旭;岳祖润;沈宇鹏【作者单位】北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;石家庄铁道大学研究生学院,河北石家庄050043;北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044【正文语种】中文【中图分类】U213.14在北方季节性冻土区由于冬季路基冻胀会影响高速铁路的高平顺性，严重影响行车的安全和舒适。
基于损伤的冻土本构模型及水_热_力三场耦合数值模拟研究
(2)
式中: Ks 和 Ki 为土和冰的体积模量; Gs 和 Gi 为土
和冰的剪切模量.
根据各向同性材料弹性常数之间的关系: K =
E 3(1 − 2ν ), G = E 2 (1 +ν ). 经推导后可得到由土、
冰的弹性模量和泊松比表示的冻土等效弹性模量 E
和等效泊松比ν 的表达式为[12]
E=
⎡⎣cs
性质进行了初步描述; Gary[2]对冻融循环进行了系统 的分析; Konard[3]提出了一个描述正冻土的冰晶形成 与水分迁移的模型; Dennis[4]对冻结过程进行了深入 系统的试验研究; 我国学者安维东等人[5]先后对冻土 的水分迁移与热质迁移, 水热力耦合及其本构问题, 进行了较深入的试验与理论研究. 然而以往的研究 大多从热力学、混合物理论等角度出发建立起冻土的 各种力学模型, 多重于两场(温度场与水分场)的耦合 作用, 力场只是在分析冻结温度时, 作为一项计算相 变温度的指标被引进, 专门从力学机理出发考虑冻 土的三场耦合及其本构关系的研究尚未见报道.
2 冻土的损伤本构模型
2.1 冻土的弹性模量
从细观力学的角度出发, 首先将冻土看作由土 和冰组成的复合体单元. 其次, 把在整个冻土体中所 占比例很大的土颗粒作为骨架, 而把冰作为填充体 看待, 根据复合材料理论中的经典混合律思想将其 耦合为冻土的本构关系, 最后考虑加入损伤的影响. 假设土颗粒为均匀连续体, 土颗粒与冰之间完全黏
因此, 本文针对冻土工程中急待解决的土体冻 融过程中水、热、力三场耦合的力学机理问题开展研 究, 结合青藏铁路路基工程, 从材料细观力学出发, 建立含损伤的冻土本构模型, 在对冻土本构模型的 研究中走出了一条新路. 根据传热学, 渗流理论和冻 土力学, 建立了冻土温度场、水分场、应力场耦合问 题的数学力学模型, 并对三场之间的耦合作用进行 相应的数值模拟研究.
多年冻土区路基U型水沟热力耦合理论分析及现场试验
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｉ ｖ ｉ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｊ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ４ ４ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｍａ ｆ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ，ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎｄ ｆ ｒ ｏ ｓ ｔ ｈ ｅ ａ ｖ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄｓ ｏ ｆ Ｕ— ｔ ｙ ｐｅ ｃ ａ ｎａ ｌ ｗｅ ｒ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈｒ ｏ ｕｇ ｈ ｃ ｏｕ ｐｌ ｅ ｄ ｔ ｈｅ ｒ ｍｏ — ｍｅ ｃ ｈａ ｎｉ ｃ ａ ｌ ＦＥＭ ｔ ｈｅ ｏ ｒ ｙ，ｔ ｏ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｔ ｈｅ ｄｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕｔ ｉ ｏｎ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏｆ ｔ ｅ ｍ ｐｅ ｒ ａ ｔ ｕｒ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｏｆ ｓ ｏｉ ｌ ｓ ｓ ｕｒ — ｒ ｏ ｕｎｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈｅ Ｕ— ｔ ｙ ｐｅ ｃ ａ ｎａ ｌ ａ ｎ ｄ ｈｏ ｒ ｉ ｚ ｏｎ ｔ ａ ｌ ｆ ｒ ｏ ｓ ｔ ｈｅ ａ ｖ ｉ ｎｇ ｆ ｏｒ ｃ ｅ ｏｆ ｔ ｈｅ ｃ ａ ｎａ １ ．ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｓ ｏｆ ｆ ｒ ｏｓ ｔ ｄ ａ ｍａ ｇｅ ｓ ． Ｆｉ ｅ ｌ ｄ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗａ ｓ ｃ ｏｎ ｄｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｏｎ ｔ ｈｅ ｐ ｒ ｅ ｖ ｅ ｎｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎｄ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｍｅ ａ ｓ ｕｒ ｅ ｓ ｐｒ ｏ ｐ ｏｓ ｅ ｄ ． Ｔｈｅ ｃ ｏ ｍ ｐｕ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓ
饱和正冻土水-热-力耦合作用的数值研究
第26卷第4期 V ol.26 No.4 工 程 力 学 2009年 4 月 Apr. 2009 ENGINEERING MECHANICS246————————————————收稿日期：2007-11-09；修改日期：2008-07-22基金项目：教育部“新世纪优秀人才支持计划”项目(NCET-04-0979)作者简介：*武建军(1964―)，男，山西大同人，教授，博士，从事冻土力学研究(E-mail: wujjun@)； 文章编号：1000-4750(2009)04-0246-06饱和正冻土水-热-力耦合作用的数值研究*武建军，韩天一(兰州大学土木工程与力学学院西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃，兰州 730000)摘 要：基于刚性冰假定和水动力学模型，将土体视为弹性体，建立了考虑应变对水分迁移影响的饱和土冻结过程中水-热-力的耦合动力学模型，利用有限元法和差分法对饱和土冻结过程中水-热-力的耦合作用进行了数值研究，给出了冻土中含水量和应力沿高度的分布规律，讨论了冻结时间、温度边界条件对冻土中含水量分布及应力分布的影响。
研究结果表明：受土体冻结过程中水分向冻结锋面附近迁移的影响，冻结锋面附近的含水量逐渐增加，引起该处应力逐渐增大，从而导致土体发生冻胀变形。
关键词：冻土；耦合；数值研究；含水量；温度；应力 中图分类号：TU445; O347 文献标识码：ANUMERICAL RESEARCH ON THE COUPLED PROCESS OF THEMOISTURE-HEAT -STRESS FIELDS IN SATURATED SOIL DURING FREEZING*WU Jian-jun , HAN Tian-yi(Key Laboratory of Mechanics on Western Disaster and Environment of Ministry of Education, School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou, Gansu 730000, China)Abstract: Based on the assumption of rigid ice and the hydrodynamic model, regarding the soil as elastic, the dynamic model of the coupled moisture-heat-stress process is established considering the influence of the strain due to the moisture migration. By means of the finite element method and the finite difference method, this paper analyzes numerically the coupled process of the moisture-heat-stress fields in saturated soil during freezing. The variations of water content and stress over height in saturated soil during freezing are obtained. The influences of the freezing time and the temperature boundary condition on the distributions of water content and stress are further discussed. The numerical results demonstrate that the water content increases gradually neighboring the freezing front, because the moisture migrates to the freezing front during the freezing process, which leads to the increase of the stress near the freezing front, which in turn causes the frost deformation in frozen soil.Key words: frozen soil; coupled; numerical research; water content; temperature; stress现代多年冻土的分布占全球陆地面积的25%，包括季节性冻土在内则要占到50%[1]；在中国，多年冻土区的分布面积约为2.086×106km 2，季节性冻土区的分布面积为5.137×106km 2，两者合计占全国陆地面积的75%[2]。
冻土斜坡路基温度水分分布特性分析
冻土斜坡路基温度水分分布特性分析
毛卫南;刘建坤
【期刊名称】《铁道学报》
【年(卷),期】2015(000)006
【摘要】为研究冻土斜坡路基温度与水分分布规律，基于不饱和土Richards方程推导出冻土水分与温度变化的耦合关系式，建立水热耦合模型。
应用有限差分原理进行离散化，编制计算程序模拟冻土斜坡路基室内模型试验。
通过模拟结果与试验值的对比，验证了应用模型计算程序的可靠性。
对青藏铁路风火山K1139试验段
斜坡路基的温度水分分布变化进行模拟分析。
结果表明：相对于同一海拔高度的路基中心线上点及右坡脚点，斜坡路基的左坡脚点温度和含水量均较高。
冻土斜坡路基的融化界面与水分富集层均沿斜坡发展，与斜坡坡向相同，影响斜坡路基稳定性。
【总页数】7页(P88-94)
【作者】毛卫南;刘建坤
【作者单位】北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044;北京交通大学土木
建筑工程学院，北京 100044
【正文语种】中文
【中图分类】U213.14
【相关文献】
1.冻土温度场与水分场耦合计算分析方法在某公路路基中的应用研究 [J], 王桂虎;李欣
2.多年冻土地区路基温度场分布的探讨 [J], 马宝灵;赵绪涛;何晓东
3.青藏高原多年冻土区通风管路基温度特性分析 [J], 杨永鹏;蒋富强
4.基于 XPS 板隔热层的多年冻土区路基温度特性分析 [J], 刘磊
5.块碎石夹层结构冻土路基温度分布数值分析 [J], 张世民
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
青藏铁路冻土路基热棒应用效果试验研究
基 金项 目 ：铁道部科技研究开发计划项 目 （０ １ ０ １ ＞ ４ ；中国地震局预测研究所基本科研业务费项 目 ２０Ｇ ０一 ０） Ｉ 资助 （ ０８ ９ ） ２０ ６ ６ ；青藏铁路建
设总指挥部科研专项资助 （Ｏ ４ Ｈ １ ２ ＯＣ ） 作者简介 ：李永强 （ ９３ ） １ ７一 ，男 ，甘肃天水人 ，博士研 究生 。
青藏 铁 路 冻 土路 基热 棒应 用 效果 试 验研 究
李 永 强 ，吴 志 坚。 ，王 引生 。 ” ，孙 军 杰 。
（．兰州大 学 土木工程与力学学院 ，甘肃 兰州 ７ ００ ；２ 中铁西北科学研究院有限公司 ，甘肃 兰州 ７０ ０ ； １ ３ ００ ． ３ ０ ０ ３ ．中国地震局 兰州地震研究所 ，甘肃 兰州 ７０ ０ ；４ 中国科 学院 寒 区旱 区环境与工程研究所 ，甘肃 兰州 ７ ０ ０ ） ３００ ． ３０ ０ 摘 要 ：通过青藏铁 路沿线典型冻土路段热棒 试验路基 和对 比路基 的地 温及变形现场 监测 ，研究热棒对 多
．
填 土高度１ ．ｍ ３
Ｉ 广］
主 ，融化后 水土分 离 ，Ⅳ级软石 ，融沉 。
（） ３ 泥岩 ：棕红色，主要分布于地表以下 ，局
部 出露 在 地 表 ，泥质 结 构 ，块 状 构 造 ，铁 钙 质 胶 结 ，岩体裂 隙较发 育 ，强分化一 完全 分化 ，冻 土上 限以上岩 芯呈角砾 、碎 块状 ，Ⅲ级硬 土 ，基本 承载
本承 载力 ２０ｋ ａ ５ Ｐ ，融沉 。
（）含土 冰层 ：浑 浊状 ，厚 度 小 于 ３ｍ，以透 ２
本文选取青藏铁路沿线多年冻土区的典型路段 （ 安 多热棒路基试验段） ，进行热棒复合路基应用效果 及不同功率热棒主动保护冻土路基效果 的试验研
冻土温度场与水分场耦合计算分析方法在某公路路基中的应用研究
后 ， ｃ ＋ ＝ 鲁＋
将 （ ） 中 的 Ｑ 代该 式 的前 半 部分 得 ： ３式
㈩
（ ４ ）
后 ） （ ＋ ＝ 鲁
式 中 ： ＝ｔｌ ｊ ）
— —
土 中水 的 总势 能 ；
重 力势 ， 常忽 略 不计 ， ｘ＝ ； 通 则
｜ ｉ ｝ ——导水系数 ， 于冻 土和未 冻土 二者不 对 同 ， 冻 土 导 水 系 数 是 体 积 含 水 量 的 未
高 度非 线 性 函 数 ， 土 的 导 水 系 数 还 冻 随着 温 度下 降而 急剧 减 少 ；
ｐ —— 水 密 度 ；
— —
土壤和过程 ， 基质势可 以表示未含水量 的单值连续 函数 ， 时 ， ａｌ 此 Ｈ ｒｎ模 型 与 Ｔ ｙｏ —Βιβλιοθήκη ｔｉ 模 型是 ａ ａｌｒ ｕｈｎ的
不考虑盐分的影 响；６ 忽略流进土体 的水流引起 的 （） 热对 流 ； ７ 忽 略太 阳辐射 和 长波 辐射 ； ８ 忽 略 内蒸 （） （）
发 潜 热 ；９ 仅 考虑水分 迁移 和冰水相 变作用 。 （）
１２ 基 本 物 理一 维 二维 方程 ．
对一维问题进 行探讨 ， 基于 流体动 力学 ， 应用
作者简介 ： 王桂 虎（ ９３，０一） 男 （ ） 辽宁朝 阳 ， 士 １８ １ ， 汉 ， 硕 主要研究 土体方 向。
维普资讯
１ ６
长春工程学院学报 （ 自然 科 学 版 ）
流 引起 的热对 流 以 及太 阳辐 射 和 长波 辐 射 ， 式 右 等 边 忽 略 内蒸发 潜 热 。式 中 ｃ为 土 的 比热 ， 导热 Ａ为
完 全相 同的 。可 以说 Ｔｙｏ 与 Ｌ ｔｉ 型 只是 Ｈ ｒ ａｌｒ ｕｈｎ模 ａ－ ｌ ａ 型在 一 定条 件下 的简 化 。 ｎ模
寒区高速铁路路基冻胀数值模型及防冻胀措施
７ ０ 出现 在路基 基 床底层 上 部 ，并应 用有 限元 法对 不 同填 料路 基地 温 场进行 数值 计算 ，提 出使 用 改性 Ａ，Ｂ组填 料 的路 基具 有 良好 的保 温效 果 。田亚 护 等人 Ⅲ １ 胡采用有 限 元 数值 方法 分 别对 季节 性 冻 土 区 既有铁 路 和新建 高 速铁路 无砟 轨道 路基 设置 隔 热层 后 的路 基温 度场 进行 了对 比分 析 ，认 为新建 路基 在 路 基 面铺 设 厚 隔热层 和保 温 护坡措 施后 路基 的保 温 效 果 良好 ，可 以起 到 预 防路 基 冻害 的作 用 。盛岱 超
沥青 混凝土路基和保温板 ＋沥青混凝 土路 面＋碎石路基 在最 强冻胀效应 时刻 的冻胀 变形 ，保 温板 ＋沥青混 凝土 路 面＋碎石路基的冻胀变形最小’ （ 最大值 为 １ ． ３ ａｍ） ｒ ，保 温板路基 的冻胀变形 最大 （ 最大值 为 ３ ． ２ ｒ ｎ ｍ） 。建议 在 寒区高速铁路采用保温板 ＋沥青混凝 土路面＋碎石路基的结构 以尽量减小路基 的冻胀 变形 。
配碎石 冻 胀 影 响 程 度 的 大 小 为 细 颗 粒 含 量 ＜ 孔 隙
等人＿ １ ］ 通过室 内试验和有限元仿真计算 ，提出路
基 冻胀是 由于高 速列 车循 环荷 载作 用下 导致 地下 水
位 以下饱 和 地基 土 中超静孔 隙水压 力 的发展 ，进 而
率＜含水率 ，并 建议控 制级配碎石 的含水率小 于 ４ 以满足冻胀量要求 。邰博文 ，岳祖润＿ ８ 等人通 过 对寒 区 高速铁 路路 基 开展 现场 试验 ，得 出寒 区 高
速铁 路 路基 中温 度 、含水 率 与冻胀 变形 关 场 试 验 ，研 究 了寒 区高 速 铁 路
冻土水热耦合方程及数值模拟研究
冻土水热耦合方程及数值模拟研究冻土是指由于气温低而使得土壤和岩石层中的水分冻结成冰的地质现象。
在冻土地区，土壤和岩石层的物理性质和工程性质会受到极大的影响，因此，对于冻土的研究具有重要的实际应用价值。
冻土水热耦合方程是描述冻土中水分、热量和力学过程之间相互关系的数学模型，而数值模拟则是利用计算机技术对冻土水热耦合方程进行求解和分析的重要手段。
本文将介绍冻土水热耦合方程及数值模拟研究的意义、现状、方法、结果和讨论，并总结研究成果和不足之处，提出未来的研究方向。
在国内外相关领域的研究中，冻土水热耦合方程的研究已经取得了重要的进展。
在模型方面，研究者们基于不同的物理力学原理，建立了一系列冻土水热耦合方程，如Richards方程、能量平衡方程、力学平衡方程等。
在数值模拟方面，研究者们采用了不同的数值方法，如有限元法、有限差分法、边界元法等，对冻土水热耦合方程进行求解和分析。
同时，研究者们还通过实验观测和现场测试等方法，对冻土水热耦合方程进行了验证和修正。
本文采用了理论和数值模拟相结合的方法，对冻土水热耦合方程进行了研究。
基于Richards方程和能量平衡方程，建立了冻土水热耦合方程组。
然后，利用有限元法，对冻土水热耦合方程组进行了离散化和求解。
在数据采集和处理方面，通过实验观测和现场测试等方法，获得了冻土的含水率、温度、力学性质等数据，利用这些数据对冻土水热耦合方程进行了验证和修正。
通过数值模拟和实验数据的分析，本文得到了以下研究结果：冻土水热耦合方程能够有效地描述冻土中水分、热量和力学过程之间的相互关系，预测冻土的含水率、温度和力学性质的变化；利用有限元法对冻土水热耦合方程进行数值模拟，能够得到冻土中水分、热量和力学过程的分布和变化规律，为冻土工程的设计和施工提供重要的参考依据；实验观测和现场测试等方法可以得到冻土的含水率、温度、力学性质等数据，这些数据可以用来验证和修正冻土水热耦合方程。
本文的研究结果具有一定的合理性和局限性。
多年冻土路基水-热-力耦合理论模型及数值模拟
2006 年
到水 热 力耦合模型的有限元方程为
[ K] { T } t + [ N ]
T t
=
{P}
[ K] { } t + [ N ]
t
=
t
{P}t
[ K] { } = { F}
n
[ K] = [ K] e =
e= 1
n
[ B] T [ D] [ B] dA
e= 1
2 计算与分析
以青藏公路唐南段 K3393+ 950 的冻土路基为 研究对象, 通过对已有温度场观测资料的整理, 建立
得到流体连续方程, 与达西定律相结合可以得出土
中水分运动的基本方程式
t= D
2
2
x 2 + y2 + DT
2T x2
+
2T y2
+
K-
I w
fs t
( 2)
式中: 为未冻水体积含量; D( ) 为土体中水分扩散
系数 ( 主 要 考 虑 由 含水 量 的 差 异 引 起) ( cm2/ s) ;
K ( ) 为土体的导水率( cm / s) 。
y+
x DT( )
T x
+
y DT( )
T y
+
(K ( ) ) - I f s
( 3)
y
wt
1. 3 应力和变形的基本方程
在自重作用下, 冻土路基土体单元的应力 应变
关系为
{ } = [ D] ( { } - { v } )
( 4)
式中: { } = { x y xy } T ; { } = { x y xy } T ; [ D] 为平
季节性冻土区铁路路基冻害研究现状
运营管理季节性冻土区铁路路基冻害研究现状朱志有，王磊，刘振奇，李雄锐（中国建筑土木建设有限公司西南分公司，重庆404100）摘要：近年来，我国季节性冻土区铁路路基冻害研究积累了诸多经验，也取得了良好的工程实践效果。
但是，在地质、气候、冻融循环等诸多因素共同影响下，季节性冻土区铁路路基冻害问题仍然突出。
在交通强国、东北老工业基地振兴、西部大开发等新时代战略驱动下，越来越多的铁路工程向季节性冻土区推进，我国铁路网也将进一步完善。
基于现有研究基础及成果，分别从土体路基、涵顶及桥涵过渡段路基、石质路基等方面，讨论季节性冻土区引发路基冻害的主要因素，对在建铁路和既有铁路的路基冻害治理措施研究现状进行分析与总结，并提出有针对性的深化研究建议。
关键词：季节性冻土区；铁路路基；冻害；填料；排水；注浆；地温控制中图分类号：U213.1文献标识码：A文章编号：1001-683X（2022）03-0124-07 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.09.09.0010引言我国多年冻土面积约2.060×106km2，占陆地面积的21.5％；季节性冻土面积约5.137×106km2，占陆地面积的53.5％［1-2］。
在冻结状态下，冻土强度较大、压缩模量高，具有弹性体的工程性质特征；当温度升高时，其冻结状态逐渐消失，土体强度急剧下降，并产生冻土蠕变和流变现象［3］。
在“交通强国”“东北老工业基地振兴”“西部大开发”等新时代战略驱动下，我国冻土区铁路网进一步完善。
但是，冻土地区特有的地理位置、气候特征及地质条件等因素，导致了基础设施建设过程中的诸多问题，铁路路基冻害就是其中一项较严重的问题。
由于季节性冻土区冬季温度低、夏季温度高，土体常年处于冻融循环过程中，导致该类土体在不同季节其结构受力存在极大差异。
同时，土体冻融循环还可能造成土体出现塌陷及鼓包现象，导致季节性冻土区常出现路基冻害。
土体水热力耦合问题研究意义现状及建议
第26卷第3期 岩 土 力 学 V ol.26 No.3 2005年3月 Rock and Soil Mechanics Mar. 2005收稿日期：2003-12-10 修改稿收到日期：2004-04-25基金项目：国家自然科学基金项目（No. 50308024）和陕西省自然科学基金（No.2001C28）资助。
作者简介：王铁行，男，1968年生，博士后，副教授，从事岩土工程方面的教学、科研和生产工作。
E-mail: wangtiexing@文章编号：1000－7598－(2005) 03－0488－06土体水热力耦合问题研究意义、现状及建议王铁行1, 2，李 宁2，谢定义2(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055； 2.西安理工大学 岩土工程研究所，陕西 西安 710048)摘 要：基于浅层土体水分场、温度场、应力场和位移场的相互影响，对水热力耦合问题在黄土、冻土、膨胀土、土壤学等领域的研究意义进行了阐述，并对水热力耦合在上述领域研究现状作了回顾和总结。
进一步分析了水热力耦合作用机理性研究的不足，指出：通过水热力耦合作用机理性研究确定水热力耦合参数及变量，应是现时进行水热力耦合研究的中心问题。
关 键 词：水热力耦合；黄土；冻土；膨胀土；土壤 中图分类号：U 416.1 文献标识码：ANecessity and means in research on soil coupled heat-moisture-stress issuesWANG Tie-hang 1,2, LI Ning 2, XIE Ding-yi 2(1.College of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and technology, Xi’an 710055, China; 2.Research Institute of Geotechnical Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)Abstract : Taking the influence each other among the moisture field, thermal field, stress and deformation field of soil body into account, the necessity of research on coupled heat-moisture-stress issues about loess, amargosite, frozen soil and pedology is explored. Then the research progress in the issues is reviewed and summarized. After that based on the analysis of the research work up to now, the weakness of mechanism research of soil coupled heat-moisture-stress issues is revealed; and it is pointed that defining the coupled parameters should be the heart of the matter.Key words: coupled heat-moisture-stress; loess; frozen soil; amargosite; pedology1 土体水热力耦合研究的意义地表浅层土体是工程活动的主要对象，由于受到气候及土体自重和其它附加荷载的影响，土体中的温度场、水分场、应力场和位移场均是变化的，而且相互影响。
冻土水-热耦合的研究和发展
冻土水 -热耦合的研究和发展摘要：为研究冻土水热耦合理论、机理以及冻结过程温度场、水分场的变化过程，根据各国学者对冻土多物理场的研究成果，对冻土水热耦合发展过程进行简述。
这一总结有利于寒区或季节性冻土区土体冻结过程的理解，为寒区工程提供理论参考。
关键词：冻土；水热耦合；文献综述；温度场；水分场一、引言寒区或季节性冻土区占世界陆地总面积的50%。
由于冻融循环的外荷载作用下，寒冷地区各种基建面临极大的挑战。
因此，季节性冻土区的路基强度、稳定性和耐久性等工程问题随之而来[1]。
随着冬夏季节交替路基吸热增加，地温升高，冻土逐渐融化，可能会导致铁路路基发生不均匀沉降和变形[2]。
在大量研究中，学者给出工程灾害与近地面土壤的温度场、湿度场变化密切相关。
二、冻土水分场研究Everett[3]引入毛细理论（第一冻胀理论），更充分解释了冻胀过程水分迁移的吸力。
但毛细理论并没有充分解释产生冻胀的主要原因。
随后MILLER[4]提出在冻结锋面和冰透镜体之间存在冻结缘, 即第二冻胀理论, 得到广大学者认可。
Harlan[5]对比不完全冻结土体和非饱和冻结土体，引入土水势解释迁移驱动力，提出并完善完全冻结土体水分迁移和热量的耦合方程，Harlan模型也被后人称作流体动力学模型，随着水热耦合理论的发展。
Loch[6]建议用Clausius-Clapeyron方程来描述冰水相变压力关系，并推导了在多孔介质中冰和水之间的平衡方程。
并且正冻土水热耦合是一个动态过程，Clausius-Clapeyron方程在非稳态冰透镜体冷端不成立，这与实际情况不太一致。
三、冻土水热耦合研究Wang等人[7]根据质量守恒和能量守恒定律提出了水-热耦合数学模型，该模型不但研究了冻胀过程土中水分迁移和热量变化规律，而且考虑了冻胀过程孔隙度降低对渗流的作用。
试验较好的证实了该模型的适用性。
Wang等人[8]提出了冻土水-热耦合的随机模型，针对寒区路堤水热的效应的随机性，该模型创造性将点方差预测局部平均方差，并考虑冰水相变、热传导和水迁移随机耦合场。
饱和正冻土中的水、热、力场耦合模型
, k
=
9( ) . 9x k
关 ,正温时取零值 .φsw φ , sal及φi需通过试验确定 .
1. 3 动量守衡方程及动量矩平衡
6〕 忽略水体运动对土体产生的粘滞力 ,有〔 : w σ ( 9) fk =ρ ak + ρ lk , l + ρ wa k
依据连续介质质量守衡原理并认为水分运动 规律遵从 Darcy 定律 ,可以得到如下形式的质量守 衡方程 ( 为方便起见 , 未进行分区列式 . 具体应用 时 ,视研究区决定保留项 ,以下类同) : ρ 9 ( 2) + (ρ v k) , k = ρ w div ( k w gradφ w) 9t ρ 为土体密度 ; ρ 式中 : w 为水密度 ; t 为时间 ; k w 及 φw分别为导水系数及水分驱动力 ; 下标 w 表示对 θ 水体而言 . 对于饱和土 ρ , 与体积含水量 ( w ) 及含 θ 冰量 ( i ) 的关系为 : ρ=ρ θ θ w w +ρ i i + (1 - θ w - θ i)ρ s 式中 ρ : i及ρ s分别为冰密度及土颗粒密度 .
2期
何 平等 : 饱和正冻土中的水 、 热、 力场耦合模型
137
( 2) 流动法则
流动遵从正交法则 :
・ 9F ・ σ ε kl = λ σ 9 kl
最关注的问题 . 分凝冰形成及发展过程涉及到温度 场、 水分场及力场 ( 这里指广义力 ,它包括宏观外力
7 ,10 〕 场及势场) 状况 . Miller〔 认为 , 孔隙压力超过或 达到某一最大值时 , 土颗粒被分离 , 才能形成新的 4〕 分凝冰 ,上覆荷载完全由分凝冰承担 . Konrad〔 在 分析饱和土样在开敞系统下冻结时建议 ,应变达到 拉伸破坏应变时新的冰透镜体产生 . 总之 , 分凝冰
兰新铁路路基温度场和水分场耦合数值分析
摘
要： 主要 分析 了兰新铁路 冻害机理 ， 阐述 了铁路 冻 害主要影 响 因素是 土质、 水分和 温度． 考虑 温度 变化对 水分
迁移 机 理 的 作 用 ， 过 Ｇｅｓｕ ｉ 件 建 立 温 度 场 和 水 分 场 耦 合 模 型 ， 兰新 铁 路 路 基进 行 水 热 耦 合 模 拟 和 数 值 分 通 ｏ ｔｄ ｏ软 对
相连 ， 构成了“ 亚欧大陆桥” 由于其运 营时间较 长 ， ． 路基基床内含水率过大 ， 加之其路基土质为易冻胀
性土， 致使路基冻害逐年加重． 在冬季路基 土体冻结 时 ， 基 在短 距 离地 段 内引起 的不 均 匀冻 胀 ， 路 导致 局
部 线 路几 何 尺寸 超标 ， 造成列 车行 驶 不稳 ， 铁路 行 将
第３ Ｏ卷
第３ 期
兰
州 交
通
大
学
学
报
Ｖ０ ． ０ Ｎｏ ３ １３ ．
２１ 年 ６ ０１ 月 文 章 编 号 ：０ １４ ７ （ ０ １ ０ —０ ３０ １０ —３ ３ ２ １） ３０ ２ —５
Ｊ ｕｎ ｌ ｆ ａ ｚ ｏ ｉ ｔｎ ｉｅｓｔ ｏ ｒａ ｎｈ ｕＪａ ｏ ｇＵｎｖｒｉｙ ｏＬ ｏ
维非 稳 态热 量传 递数 学微 分方 程 ．
车时速限制在 ８ ￣１０ｋ ｈ 严重影响铁路提速进 ０ ０ ｍ／ ，
程， 并加重了安全隐患． 了符合 提速要求 ， 为 必须大
幅度整治冻害问题． 在解决铁路路基冻害时 ， 应掌握 影 响路基 冻 胀 的 主要 因素 、 因素 的影 响程 度等 ． 各 影 响冻胀的主要 因素包括 土 中含水 率、 度梯度 、 温 土 质、 荷载 等． 在冻土的数值分析方面国内外很多专家 已经进 行 了相关 的研究． 米隆、 赖远明、 张克华 ［应用有 限 １ ］ 元方法 ， 对通风路基 的温度特性进行 了三维数值分 析 ． 小 勇 、 明 、 跃 、 磊 ［利用 有 限元 软 件 同 时 苏 朱 蒋 吴 ２ ］
基于水-热耦合模型的多年冻土隧道隔热层厚度优化研究
基于水-热耦合模型的多年冻土隧道隔热层厚度优化研究
郭硕栋;王晓川;张耀阳;陈泽盟
【期刊名称】《水资源与水工程学报》
【年(卷),期】2024(35)2
【摘要】为了使多年冻土隧道围岩保持冻结状态,经常选择在隧道衬砌结构中铺设保温隔热层的方法以防止围岩产生冻融破坏。
保温隔热层的厚度是影响多年冻土隧道结构的稳定性和工程经济的一个重要参数。
针对这一问题,建立了考虑渗流和冰
水相变的水-热耦合模型,并将该模型嵌入COMSOL Multiphysics数值软件中加以应用。
以青海省某隧道为研究对象,对该隧道洞口段保温隔热层厚度的优化设计进
行研究。
结果表明:隧道仰拱位置被确定为优化设计的不利位置,隧道开挖在第1年的5月23日温度达到最高,被确定为优化设计的不利时间;不利位置处的最高温度
随保温隔热层厚度的增加而下降,通过拟合公式计算出最优隔热层厚度为7.2 cm;在最优保温隔热层厚度下隧道衬砌背后围岩温度均处于0℃以下,不会产生冻融破坏。
隧道在设计隔热结构时采用7.2 cm的隔热层厚度提高了围岩隧道结构的稳定性。
【总页数】9页(P192-200)
【作者】郭硕栋;王晓川;张耀阳;陈泽盟
【作者单位】河南理工大学土木工程学院;中交二公局第四工程有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U452.12
【相关文献】
1.多年冻土隧道工程中的隔热层参数优化设计研究
2.高地温隧道考虑二次衬砌水化热的隔热层厚度优化
3.高温隧道隔热层厚度优化及衬砌热力耦合响应分析
4.多年冻土路基水-热-力耦合理论模型及数值模拟
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
寒区隧道水、热、力三场耦合分析与变形可靠度研究
寒区隧道水、热、力三场耦合分析与变形可靠度研究寒区隧道水、热、力三场耦合分析与变形可靠度研究随着人类对资源的深入需求和开发，寒区地区的隧道建设日益增加。
然而，由于寒区的特殊环境条件，如低温、冰冻结构体和寒冷地基等，隧道工程在寒冷地区面临着巨大的挑战和风险。
因此，针对寒区隧道的水、热、力三场耦合分析与变形可靠度研究显得尤为重要。
首先，分析寒区隧道的水、热、力三场耦合问题是建设安全和可靠隧道的基础。
寒区的低温环境会对隧道内的水体产生较大的压力，进而对隧道结构体和地基产生较大的影响。
同时，隧道内部水体的相变和流动也会导致热量的传递和分布不均匀，进而影响隧道的温度场分布。
另外，隧道结构与寒冷地基之间的接触会产生较大的接触应力，进而引起隧道结构的变形。
因此，对寒区隧道水、热、力三场的耦合问题进行深入研究，有助于准确评估隧道结构在不同环境条件下的变形、应力和温度变化，从而保证隧道的安全运行。
其次，研究寒区隧道变形可靠度是降低工程风险和提高工程质量的重要手段。
寒区的特殊环境条件使得寒区隧道结构容易受到温度变化的影响而发生变形，从而导致工程质量下降和安全隐患增大。
为了准确评估寒区隧道的变形可靠度，可以运用可靠性理论和数值模拟方法将变形可靠度问题转化为概率理论求解问题。
通过考虑隧道结构的参数不确定性和变形可靠度的统计分析，可以评估不同寒区隧道结构在设计和施工过程中变形可靠度的不确定性，为工程决策提供科学依据。
最后，寒区隧道水、热、力三场耦合分析与变形可靠度研究对于寒区隧道工程的可持续发展具有重要意义。
寒区的特殊环境条件给隧道建设带来了很多风险和挑战，而通过对水、热、力三场耦合分析与变形可靠度研究，可以更好地理解寒区隧道的力学行为和水热特性，从而为寒区隧道的设计、施工和运营提供科学依据。
另外，该研究也为其他地区的隧道工程提供了借鉴和参考，推动了寒区隧道工程的可持续发展。
综上所述，寒区隧道水、热、力三场耦合分析与变形可靠度研究是保证寒区隧道工程安全和可靠运行的重要基础。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第21卷第3期2009年9月北方工业大学学报J.NOR T H C HINA UN IV.O F TEC H.Vol.21No.3Sept.2009收稿日期:2009-04-153中国科学院知识创新工程重大资助项目(No.KZCX12SW )第一作者简介:由明卓,硕士研究生.主要研究方向:岩土结构工程、数值计算等.冻土水—热耦合模型在某铁路路基中的应用研究3由明卓 王建省(北方工业大学建筑工程学院,100144,北京)摘 要 Harlan 模型的基本原理,即把温度场和水分场分别用各自的基本方程进行表述,把未冻水含量作为温度函数,建立两个方程的函数关系,得到冻土的Harlan 水—热耦合数学模型.将Harlan 模型应用于某铁路路基计算,比较了二场单独作用以及耦合作用的结果,分析了相互作用和影响规律.关键词 冻土;水热迁移;水热耦合方程分类号 TU445 我国是冻土面积仅次于俄罗斯、加拿大的第三冻土大国,多年冻土面积2.15×106km 2,约占我国国土总面积的22.3%.这些冻土主要分布在青藏高原、东北大小兴安岭和西部的天山、阿尔泰山及祁连山等地区[1].随着我国西部大开发战略的实施和经济建设中心的西移,在多年冻土区已经建成或将要修建大量的公路、铁路、桥梁、隧道等基础设施,同时也产生大量冻土力学、冻土工程学、建筑物冻害防治等急待解决的理论及实际工程问题,而对冻土基本力学性质、机理的研究是解决上述问题的基础和关键.多年或季节冻土地区由于冻土层的反复冻结与融化,产生冻胀、融沉两大工程问题,引起路基的严重变形、下沉、开裂等冻害.而土体中温度场、水分场及其变化规律是引起冻害严重与否的主要因素[2].土体冻融过程中,热量与水分的运动、分布是动态且相互影响和制约的.温度的传导、高低变化会引起水分的运移和重分布,同时,渗流场的改变也将影响冻土温度场的分布,即它们之间存在耦合关系.本文基于冻土水—热耦合原理研究的成果,对耦合数值方法进行探索研究,并将模型应用于某铁路路基模拟算例,得到了比较满意的结果.1 路基冻土水—热耦合机理及数学模型 土体在冻结或融化过程中,温度、水分、应力三场的相互作用是一个极其复杂的热力学、物理化学和力学的综合问题.三场相互制约的关系存在于土体的整个冻融过程中,即冻土特有的水、热、力三场耦合问题.三场耦合问题的解决要以其中任意两场耦合机理研究为前提和基础,而水—热耦合关系即为其中重要的一环.水—热耦合也即渗流场与温度场的相互作用.通过水流的运动,热量以对流的形式在土体中传播,从而影响温度场的分布;反过来,温度场的变化又会引起渗流系数的变化[3].同时,温度变化引起冻土的冷生结构也会改变土颗粒的排列形式,影响土体孔隙分布.1.1 基本假定(1)假设冻土中未冻水的迁移与非饱和土体中的情况相类似;(2)不考虑外荷载的影响;(3)仅考虑土骨架、未冻水的热传导;(4)不考虑土中水汽蒸发耗热和化学势作用;(5)忽略空气和水蒸气迁移对未冻水迁移的影响;(6)忽略未冻水流动引起的热对流效应;(7)忽略内蒸发潜热;(8)仅考虑水分迁移和冰水相变作用[4].1.2 冻土相变温度场的基本方程冻土由土颗粒、未冻水、冰和空气组成,因此其热传递是个极其复杂的过程.但由于土颗粒间的温度差通常很小,所以土间隙中由传导引起的热传递占主要部分.因此可以只用热传导方程来描述冻土的相变温度场[5],偏微分方程如下:C 9T9t=div(λgrad T)+Lρi9θi9t(1)温度边界条件为:T|s=T b,或9T9n n=T b,或9T9n+T s=T b(2)温度初始条件为:T|t=0=T0(3)其中:T-绝对温度;θi-冰的体积含量;C-介质热容量;λ-介质导热系数;L-冰水相变潜热;ρi-冰密度;s-边界;n-边界的外法线方向;T b-边界温度或温度梯度;T0-初始温度.由于温度的变化引起冻土中水、冰含量的变化,所以冻土的性质发生变化,同时冻土的热容量、导热系数也发生相应变化.这表明方程(1)中的系数C和λ依赖于温度T.1.3 冻土水分场的基本方程水分迁移的本质是土体冻结过程中各种动力势能作用下的质量迁移.为解释水分迁移的原动力,引入土水势概念来描述土体中水分运动的方向和数量变化的规律,即土水系统在一定温度、压力和位置状态下达到平衡时所具有的综合能,由基质势ψm、压力势ψp、溶质势ψo s 和重力势ψg等组成,具体表达式为:ψ=ψm+ψp+ψo s+ψg(4)忽略空气和水蒸气迁移对未冻水迁移的影响,饱和或非饱和土体中非稳定流情况下水分(质量)迁移方程为:9θw9t=div(K gradψ)(5)水分初始条件:θw|t=0=θ0(6)式中:θw-水分的体积含量,ψ-土水势,K-介质导水系数,θ0-初始含水量.1.4 冻土水—热耦合模型土冻结过程中热量和水分都是从高温区向低温区迁移,并在整个冻结过程中始终体现相互依赖和转移的关系.Harlan在继承用热水系统模型来解释冻胀过程中水分迁移观点的基础上,提出了能量和质量的连续方程组,即温度场和水分场的耦合方程组[6].冻土中水分总质量是未冻水质量与冰质量之和,即满足关系式:θw=θu+ρiρwθi(7)未冻水含量θu是温度的函数,令θu=f(T).利用导数关系有:9θu9t=9θu9T・9T9t(8)从(7)式中解出θi的表达式代入冻土相变温度场方程(1),并结合(8)式,则方程(1)中最后一项变为:Lρi9θi9t=Lρw9(θw-θu)9t=Lρw9θw9t-Lρw9θu9T・9T9t(9)由上面的代换所得到的温度场与水分场联立方程组,就构成了冻土水—热耦合数学模型,它综合考虑了冻土中水分迁移和热量传导等因素,具体形式如下:C9T9t=div(λgrad T)+Lρw9θw9t9θw9t=div[f(T)gradψ](10)从以上推导可以看出,Harlan模型实际上是在分别得到温度场和渗流场基本方程的基础上,把与温度密切相关的冻土内未冻水含量作为连接二者的桥梁,最终建立起冻土的水—热76 第3期 由明卓 王建省:冻土水2热耦合模型在某铁路路基中的应用研究耦合模型.2 工程应用实例取青藏铁路某段路基作为算例.考虑到实际情况的复杂性及本文研究的重点,对该问题做了符合实际情况的简化,对水分场、温度场及其耦合影响进行模拟分析.分别对渗流及热流单独作用时的水分场、温度场分布状况进行了数值分析,再与二者耦合作用结果做比较.(1)模型基本参数.路基宽10m,高2m,坡度1:1.5;计算范围取两边各向外延伸5m,深度取地表以下5m处.路基土的含水率为0.38,渗透系数取0.2185×1026cm/s,比热容为850J/m3・K,导热系数为3W/m・K.土的弹性模量E s为12.0M Pa,泊松比取为0.3.路基中的初始温度场可根据长年实际观测数据和已知的温度边界条件经过计算得到,下边界温度条件取计算深度处的年平均地温为3℃,左右边界因为相距路基较远,故可忽略路基热效应影响,看作绝热边界,无热量交换,既热流值为0.计算中取路基阳面边坡的平均地面温度为5℃,阴面边坡的平均地面温度为-5℃,路基表面的平均温度为0℃.(2)数值结果与分析.(a)温度场单独作用.把已知初始温度场作为瞬态热传导分析的初值,再加上温度边界条件就可解得任一时刻路基模型内的温度变化情况.本算例的时间单位为小时(h),总共计算500h,时间步长取为1.0.路基内温度场随时间变化的情形如图1、图2所示.从图1、图2中可以看出路基中温度场的变化规律.温度分界线比较平滑,呈现明显的特点,即离路基坡角较远且处于正、负温距离相当处的温度分界线最平滑,而距离坡角较近处的分界线则具有明显的与坡角相同的凹凸变化,且距离越近变化越明显,表现出截面的几何形状对温度场分布、变化的影响.这种变化表明路面附近和路肩附近温度变化比较剧烈,而路基下部比较平稳.其主要原因在于坡肩和路面直接与外部环境接触,温度受外界环境温度随机性的影响较大,而随着深度的增加,外界环境温度的影响将逐渐减弱.(b)渗流场单独作用.除考虑土体中未冻水由自重引起的渗流,还模拟在侧边界添加了侧压水头,数值分析结果如图3、图4所示.从图3、图4中可以发现和温度场类似的特点,即渗流场分界线也在截面几何形状变化处产生相似的改变,且同样和距离的远近有关.只是这里又增加了侧向水压的作用,使曲线的变化又具有受水压影响的随深度变化的特征.(c)温度场、渗流场耦合作用.在前面分析的基础上,在模型上同时施加温度场和渗流场,模拟耦合作用,结果如图5、图6所示.86 北方工业大学学报 第21卷 通过与两场单独作用结果相比较可以发现,耦合作用结果同时具有双方的特点,即图形的大致形状及变化趋势是相似的.但同时它也有自己独有的规律,体现了温度场和渗流场的相互作用及影响.在坡角转折处的侧向水压大,渗流强烈处的温度变化快,曲线凹凸变化剧烈,说明这些地方的温度梯度大;而远离坡角和渗流平缓处则变化相对平缓一些.从上面的分析可以看出,二维边界、截面几何形状、渗流场分布及含水量的变化都对温度分布产生显著影响,同时,温度场的变化又对土体中渗流场分布产生影响.3 结束语冻土自身组成,结构的多样性、非均匀性,所处环境的复杂性,给理论研究和精确解析带来巨大困难,而日益发展、完备的数值分析方法则为冻土研究提供了有力的工具,开辟了新的途径.本文在Harlan 理论模型基础上,对冻土水—热耦合数值分析方法进行探索研究,并结合具体工程实例的计算结果,分析了温度场、渗流场单独及耦合作用的特点和规律,为进一步理论研究(三场耦合),解决冻胀、融沉等实际工程难题提供有益的探索.路基施工破坏了天然冻土原有的热力平衡状态,导致其下冻土上限、年平均地温、地下冰等物理特性发生变化,并诱发冻融灾害的形成和发展,降低路基的安全稳定性,影响运营安全.冻土路基中水、热、力三场耦合是以两两相互作用为基础的,本文通过合理简化,忽略应力场作用,根据Harlan 水—热耦合模型进行模拟分析,所得出的结论与实际路基情况比较吻合.96 第3期 由明卓 王建省:冻土水2热耦合模型在某铁路路基中的应用研究参 考 文 献1 徐学祖,王家澄,张立新.冻土物理学[M].北京:科学出版社,20012 毛雪松,王秉纲,胡长顺,李宁.冻土路基水热迁移问题的理论模型及数值模拟[J].中外公路,2006, 2,26(1):232263 O′Neill K,Miller R D.Exploration of a rigid2ice of frost deave[J].Wat Resour Res.,1985,21:131421323 4 王桂虎,李欣.冻土温度场和水分场耦合计算分析方法在某公路路基的应用研究[J].长春工程学院学报,2008,9(2):152175 王慧.土体冻融过程中水、热、力三场耦合机理及数值模拟研究[D].北京:北京理工大学,20056 Darlan R L.Analysis of coupled deat2fluid transport in partially f rozen soil[J].Wat Resour Res.1973,9(5):28122967 汪仁和,李栋伟.正冻土中水热耦合数学模型及有限元数值模拟[J].煤炭学报,2006,12, 31(6):75727608 安维东等.冻土的温度水分应力及其相互作用[M].兰州:兰州大学出版社,19909 朱焱,陈晓飞.土壤冻结条件下水、热耦合运移数值模拟研究[J].农业网络信息,2007(4):28232R esearch on Application of H eat2Moisture Coupled Model of FrozenSoil in R ail w ay SubgradeY ou Mingzhuo Wang Jianxing(College of Architect ural Engineering,Nort h China U niv.of Tech.,100144,Beijing,China)Abstract In t his paper,based o n t he t heory of Harlan model,t he equations of temperat ure field and moist ure field are found separately.Then,taking t he content of unfrozen water as t he temperat ure f unctio n,t he heat2moist ure coupled model is set up.Numerical simulatio n calculation is carried out,and t he single field calculation is compared wit h t he coupled simulation result. Finally,t he interactional characteristics are st udied.K ey Words frozen soil;moist ure and heat t ransfer;coupled equation of moist ure and heat 07 北方工业大学学报 第21卷 。