粘土的热物理参数和冻结过程中的温度场演变研究
多年冻土块石路基蠕变变形研究
多年冻土块石路基蠕变变形研究张存根【摘要】由于全球气候变化,以及大规模的寒区工程建设,打破了多年冻土地区原有的地表能量平衡,导致地温升高,冻土上限逐年下降,高温冻土层厚度不断扩大,冻土蠕变变形愈加剧烈.本文通过结合青藏铁路典型多年冻土块石路基路段特征,采用变换等效导热系数法来综合考虑块石通风区的换热性质,数值模拟多年冻土路基多年蠕变变形,进行其10年、20年和30年的温度场和变形场预测,分析其蠕变情况.【期刊名称】《华北科技学院学报》【年(卷),期】2019(016)001【总页数】12页(P70-81)【关键词】冻土蠕变;块石路基;数值模拟【作者】张存根【作者单位】中交公路规划设计院有限公司,北京100088【正文语种】中文【中图分类】TU4450 引言冻土是指含冰且温度在0℃或0℃以下的各种岩石和土体，按照土处于冻结状态的持续时间可以划分为季节冻土和多年冻土[1]。
全球约有25%的陆地属于多年冻土地区，全球除澳洲外各大洲均有分布。
主要分布在纬度较高和地势较高的国家和地区，我国的多年冻土主要集中于西北和东北高海拔高纬度地区[2]。
在多年冻土地区修筑道路工程,不仅改变了路基下多年冻土的温度场,而且也改变了地基土的受力状态。
随着冻土路基温度及受力的改变,必然引起路基的力学稳定性发生变化,从而导致路基产生沉降变形。
在此情况下，在多年冻土地区，尤其在高温高含冰量地区，通常采用“主动降温”措施[3-6]的方式保证路基的热稳定性。
在青藏铁路中，块石路基是最为典型的一种冷却路基形式[7]。
喻文兵等进行了块石层降温效果的室内模拟试验，共进行6个周期的试验，每个周期8天，试验结果表明一定厚度和空隙的块石层能够有效的降低其底部的温度[8]。
张建明等模拟测试铁路碎石道渣在夏季和冬季两种情况下热传导试验，试验结果表明当碎石道渣顶部和底部温差不大时，其导热系数基本相同；温差很大时，底部导热系数明显大于顶部导热系数[9]。
多圈管冻结壁冻结温度场数值计算研究
崔建军 ： 多圈管冻结壁冻结温度场数值 计算研究
８ ｌ
面点 ， 开展温度 随时间变化 的分析 ， 各特征点 的具体 布
置见 图 ２ 特征点随冻结时 间的变化见图 ３ ， 。
图 １ 降温 曲线 图
尺寸较水平方 向大得 多 ， 在竖直 方 向的热传导 相对水
平方 向弱 的多 ， 故冻结温度场可简化为平面导热问题 ， 按平 面问题建模 、 划分 网格 ； ③地层冻结降温影响 区仅
限于冻结壁外 锋面半径 的三倍范 围内 ； ④不 考虑冻 土
２ 数值计算结 果分析 （ ） 特征点温度随 Ｈ ｆ 的变化 。选 取井帮 控制 １ ／￣ ＇ｑ
算结果为多圈管冻结工程的设计 和施工提供参考 。
【 关键词 】 多圈管 ； 数值计算 ； 温度场 【 中图分 类号】 Ｔ ４５２ Ｕ ７． 【 文献标识码 】 Ｂ 【 文章编号】 １０ 一 ８４ ２ １）１ ０８ — ２ ０ｌ ６６ （ １ １ — ００ ０ ０
随着浅埋深煤层 的充分开发 ， ０ ４ ｍ以内表 土覆盖 ０ 下的煤炭 资源渐趋 枯竭 ， 于 ４ ０ 大 ０ ｍ表 土覆盖 下 的煤
１ ４ 边界条件及载荷 ． ２ ； ５ 冻结管外壁温度按 图 ｌ 的降温曲线 赋值 。
ｌ
Ｉ
＼
５ １ ｎ ０ ２ ０ ２ ０ ３ ３ ０ ４ ０ ０ １ ０ ５ ｍ ５ ｌ
（ ） 冻结壁设计参数 。井筒表■段最大掘进荒径 ３ １．５ 。积极冻结期盐水 温度为 一 ４～一 ６ ２５ｍ ３ ３ 。冻结壁
、 ～
３ ９
冻结时间， ｄ 图３ 特征测点温度随冻结时间变化 图５ 不同时刻路径上的温度
粘土层冻结法施工温度及位移场监测分析
粘土层冻结法施工温度及位移场监测分析发布时间：2021-07-26T09:56:58.093Z 来源：《科学与技术》2021年3月8期（中）作者：高扬[导读] 随着冻结法施工应用的逐步广泛，针对传统监测方法存在的误差率较高的问题，高扬江苏省公共工程建设中心有限公司，江苏南京 210009摘要: 随着冻结法施工应用的逐步广泛，针对传统监测方法存在的误差率较高的问题，以下开展了基于粘土层冻结法施工的施工温度及位移场监测方法设计。
根据冻结法施工的流程。
设计施工温度及位移场监测模型，采用建立井筒三维坐标的方式，将检测区域划分为不同面积大小的单元格。
计算粘土层散热及导温系数，实现基于冻结法的粘土层施工温度的监测。
采用自定义一阶函数关系式的方式，进行位移长度与相变点的分析，进行粘土层施工位移场的监测。
采用设计对比实验的方式验证检测方法可有效的降低检测数值的误报率。
关键词：粘土层冻结法；施工温度；位移场；监测分析中图分类号:TU755.9文献标识码:AMonitoring and analysis of construction temperature and displacement field of clay layer freezing methodAbstract: With the gradual and widespread application of the freezing method construction, in view of the problem of high error rate of the traditional monitoring method, the design of the construction temperature and displacement field monitoring method based on the clay layer freezing method is developed below. Construction process according to freezing method. The construction temperature and displacement field monitoring model is designed, and the three-dimensional coordinates of the wellbore are established to divide the detection area into cells of different area sizes. Calculate the heat dissipation and temperature coefficient of the clay layer, and realize the monitoring of the construction temperature of the clay layer based on the freezing method. The method of self-defined first-order function relationship is used to analyze the displacement length and phase change point, and monitor the displacement field of clay layer construction. The method of designing and comparing experiments is used to verify that the detection method can effectively reduce the false alarm rate of the detection value.Keywords: freezing method of clay layer; construction temperature; displacement field; monitoring analysis;0引言本人于2016年5月16日-2018年8月12日在安徽省阜阳市颖上县陈桥镇，参与开展项目为刘庄煤矿东回风井井筒及井筒连接处掘砌工程，工程量为552米，井筒冻结段采用钢筋混凝土双层井壁结构。
地层扰动对冻结的影响分析
地层扰动对冻结的影响分析摘要：冻结加固技术因其具有冻结强度高、止水性好、安全性高等优点，并且具有很好的环保性等特点而越来越多的被应用于地下工程建设中，尤其是对环境保护要求高、又处在软土地质条件下的工程，其应用更为广泛。
但冻结在实际施工中受到多种不利因素的影响，特别是地层扰动对冻结的影响，影响冻结效果，并严重影响施工安全。
本文阐述了影响人工冻结效果的因素，以及在地层扰动下各因素的变化，主要分析了冻融土和地下动水对冻结效果的影响。
关键词：冻结法；冻结温度场；地层扰动概述在地层扰动下，冻结壁的形成是一个很复杂的热物理过程。
在冻结壁的形成过程中地层扰动影响冻结温度场的分布，且温度场、渗流场等多个物理场存在相互作用，因此，对于某水平同一地层的冻结壁在各方位厚度发展并不均衡。
（二）冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行地下工程倔砌施工的特殊施工技术。
（三）冻结法施工技术适用于松散不稳定的冲击层、裂隙含水层、松散泥岩层和水压特大的岩层，既可作为地质条件复杂的井巷工程施工，又可作为工程抢险和事故处理的手段。
（四）冻结法施工的原理是：沿开挖断面周边布置与通道方向基本平行的冻结孔，然后在冻结孔中循环低温盐水，使冻结孔附近的含水地层结冰，形成强度高、封水性好的冻土帷幕—冻结壁，用以抵抗地压，水压和隔绝地下水与地下工程的联系。
然后在冻结壁的保护下进行隧道、竖井和基础工程的开挖与衬砌施工的特殊工程技术。
其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土性质以固结地层。
二、冻结壁的温度场的形成规律冻结壁是凿井的临时支护结构物，其功能是隔绝井内外地下水的联系和抵抗水土压力。
当冻结壁完全交圈后，封闭的冻结壁即可起到隔绝地下水的作用；但是要起到抵抗水压力的作用，冻结壁必须有足够的强度和稳定性。
1、土壤的冻结实质及其特性变化土壤冻结前后，土体的强度、水分、以及热物理参数等基本性质发生较大变化：(1) 强度提高。
冻结法深层位温度场数值模拟与分析
４水 位均 已溢水 ； 共布置 ５ 个 测温孔 ， 其 中测 １ 、 测 ３位于外排 孔外侧 主面上 ； 测 ２ 、 测 ４位于 中排孔和外排 孔之问 ； 测 ５位于 内排孔 和防片帮孔之 间。
安
厚度 ２ ． ３ ０ ３ ｍ， 冻结深度 ７ ２ ５ ｍ， （ 深层位 ） 井筒深 度 １ ０ ０ １ ． ９ ｍ。该 井筒采用冻结法施工 ， 井筒 主要技术特征见表 １ 。
２ ． ２副 井冻 结 方 案
７ １ ４ ． ０ ５ ｍ。在第 四系 ３ ７ ８ ． ２ ～３ ９ ８ ． ９ ｍ和 ４ ０ ７ ． ３～ ４ ４ ５ ． ３ ５ ｍ深度段 为２ ０ ． ７ ｍ和 ３ ８ ． ０ ５ ｍ的两层特厚砂质粘土层 。冻结段最大井壁
２ ． １工 程概 况
杨村煤矿设计有 主、 副、 风三个井筒 ， 其 中副井井筒设计净 直径为 ７ ． ５ ｍ， 井筒 表土层厚 度 ６ ８ １ ． ０ ５ ｍ， 其中： 第 四系底板埋深
５ ３ ６ ． ６ ５ ｍ，第 三 系底板 埋 深 ６ ８ １ ． ０ ５ ｍ，基 岩 风化 带 底 板埋 深
段起封水作用 （ 见表 ２ ） 。 ２ ． ２ ． ３冻结壁设计
井筒表土段最大掘进荒径 １ ２ ， ２ ５ ６ ｍ。设计 冻结 盐水温度为
一
３ １ 一３ ３ ℃， 设计 冻结壁厚度 ， 粘土 ４ ４ ５ ． ３ ３ ｍ控制层冻结壁厚
度 ｌ Ｏ ｍ；砂层 ５ ３ ６ ． ６ ５ ｍ控制 层冻 结壁 厚度 １ ０ ． ２ ｍ；三 系上部 ６ ４ １ ． ７ ｍ控制层冻结壁厚度 １ ０ ． ６ ｍ。冻结壁平均温度 一 １ ８ ℃。 副井 冻结站于 ２ ０ １ ２年 ４月 ９日开机 运转 ， 截止 ２ ０ １ ４年 １ 月 ７日冻结站运转正常 。水文孔 １ 、 水文孔 ２ 、 水 文孔 ３ 、 水文孔
《土壤高温储热条件下热湿迁移规律的实验及模拟研究》范文
《土壤高温储热条件下热湿迁移规律的实验及模拟研究》篇一摘要：本文通过实验和模拟的方法，对土壤在高温储热条件下的热湿迁移规律进行了深入研究。
实验部分详细记录了不同温度梯度下的土壤热湿迁移过程，并利用数值模拟技术对实验结果进行了验证和补充。
本文旨在揭示土壤在高温储热过程中的热湿迁移机制，为地源热泵、土壤源热回收等工程提供理论依据。
一、引言随着全球能源需求的增长和环境保护意识的提高，地热能作为一种清洁可再生能源，受到了广泛关注。
土壤作为地热能的重要载体，其高温储热条件下的热湿迁移规律对于地源热泵、土壤源热回收等工程具有重要意义。
本文通过实验和模拟相结合的方法，研究土壤在高温储热条件下的热湿迁移规律，以期为相关工程提供理论支持。
二、实验方法与材料1. 实验材料：实验所用土壤取自当地典型区域，确保土壤类型与实际工程中的土壤相似。
同时，为了更好地模拟土壤中热湿迁移的实际情况，实验还采用了温度传感器、湿度计等设备。
2. 实验方法：实验采用恒温加热装置对土壤进行加热，并设置不同的温度梯度。
在加热过程中，通过传感器实时监测土壤的温度和湿度变化，记录数据并进行分析。
同时，为了验证实验结果的准确性，还进行了数值模拟研究。
三、实验过程与结果分析1. 实验过程：在实验过程中，首先将土壤样品放置在恒温加热装置中，设置不同的温度梯度（如30℃、40℃、50℃等）。
然后，通过传感器实时监测土壤的温度和湿度变化，记录数据。
同时，为了更直观地观察热湿迁移过程，还采用了红外测温仪和显微镜进行观察。
2. 结果分析：根据实验数据，我们可以发现随着温度的升高，土壤中的水分逐渐向表面迁移。
这表明在高温条件下，土壤中的水分受到热力作用而发生迁移。
此外，我们还发现不同类型土壤的热湿迁移特性存在差异，这可能与土壤的成分、结构等因素有关。
四、数值模拟研究为了进一步验证实验结果的准确性，我们采用了数值模拟技术对土壤高温储热条件下的热湿迁移过程进行了模拟。
冻土中热水机械蒸汽的多场耦合研究
冻土中热水机械蒸汽的多场耦合研究摘要：本文根据各国学者对冻结土多场的研究成果，对冻结土的多场耦合理论和机理以及冻结过程中温度场、水分场和应力场的动态变化过程进行了分析和研究。
冻土多物理场耦合的研究是一个复杂、多物理、多学科的领域，本文主要从水热蒸汽机械（HTVM）场耦合的方面进行了综述。
本综述有助于促进对冷区土壤冻结过程和冻结过程中冻土耦合机理的研究，促进对土壤冻结过程中多场耦合动态过程的深层、多维理解。
1.介绍冻融沉降是寒冷地区冻土最常见的冻土破坏。
这主要是由于冻土的温度、湿度、应力和浓度场的变化，以及多物理场之间的相互作用（Mu，1987）。
冻土的各种霜冻问题本质上源于多孔介质中的多相耦合（包括固体、液体、气体和热）（Li，2001）。
季节性冻土的土壤稳定性主要受冻融循环中传热、水分迁移和相变化的相互作用和相互影响的控制。
例如，路基的温度、湿度和应力场都是动态变化的。
这些油田之间的耦合效应是造成许多冻害问题的直接原因（Lai，1999）。
因此，有必要系统地回顾冻土多物理场耦合背后的机制。
冻土的多物理场耦合是一个同时考虑多个物理场的复杂的多学科研究部门。
冻土多物理场耦合的研究进一步分为以下几个部分：热水（TH）耦合、热水机械（THM）耦合、热水蒸汽机械（THVM）耦合和热水盐力学（THSM）耦合。
此外，一些学者还致力于研究岩石的热-水-化学-机械（THCM）耦合（Su，2010），这是一个复杂而动态的过程。
近年来，有关冻结场的学术兴趣一般集中在宏观强度性质和热-水-力学耦合本构模型上。
考虑了晶体独特的张力行为和压力熔化，以及冰水相变的结晶动力学模型。
然而，由于缺乏特殊设备，目前进行的本构实验很少考虑微观变形的机理。
因此，迫切需要对微小量表进行本性调查。
2.冻土多物理场耦合技术的研究现状2.1冻土高温耦合技术的发展提出了浅层黄土的TH耦合模型，模型结果与实验结果一致。
通过该模型估算的水分和温度的动态变化，验证了参数选择的可行性和预测浅层冻土水热动力行为的准确性[1]。
土壤热容量,导热率,导温率定义和变化规律
土壤热容量,导热率,导温率定义和变化规律1.引言1.1 概述文章引言中的概述部分主要介绍土壤热容量、导热率和导温率的含义和重要性。
概述部分内容可以参考以下写法：概述：土壤是地球上最广泛分布的一种自然资源，其具有重要的环境和农业意义。
而土壤的热性质是研究土壤热传导和能量交换的重要基础。
土壤热容量、导热率和导温率作为土壤热性质的重要参数，在土壤热力学和能量平衡研究中发挥着重要的作用。
土壤热容量是指在单位质量土壤温度升高或降低单位温度所需吸收或释放的热量。
它反映了土壤对热量变化的响应能力，是描述土壤储热能力的重要指标。
土壤热容量的大小受土壤质地、含水量、有机质含量等因素的影响，具有季节性变化和垂直分布的特点。
了解土壤热容量对于研究土壤温度变化、水分状况以及土壤中生物、化学过程的解释和预测具有重要意义。
导热率是描述物质导热性能的指标，它表示单位时间内单位面积内物质导热量通过单位厚度的物质所需的温度差。
土壤的导热率是影响土壤热传导的重要参数，它决定了土壤中热量在空间上的传输速度。
土壤导热率的大小取决于土壤孔隙结构、含水状况、温度等因素，具有季节性变化和土层分布的特点。
通过了解土壤导热率，可以更好地掌握土壤热传导过程，从而为土壤温度分布、地热资源开发等提供科学依据。
导温率是描述物质导温性能的指标，它表示单位时间内单位面积内物质导温量通过单位厚度的物质所需的温度差。
与导热率相比，导温率主要通过介质内分子之间的碰撞和传递能量方式进行热传导。
土壤的导温率决定了热量在土壤中的传导方式，不同的导温率会导致土壤内温度分布的差异。
土壤导温率的大小与土壤的物理性质、水分状况、温度等因素密切相关，了解土壤导温率有助于揭示土壤热传导机理和进行地热模拟研究。
综上所述，土壤热容量、导热率和导温率是反映土壤热性质的重要参数，它们的定义和变化规律为研究土壤热传导、能量平衡和地热资源开发提供了基础。
在未来的研究中，需要进一步探索土壤热性质的影响因素、热传导机理以及与其他土壤特性的相互关系，以提高对土壤热过程的理解和预测能力。
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粘土的热物理参数和冻结过程中的温度场演变研究冻土是一种由固、液、气、冰四相物质组成的复合材料。
冻土中的冰相对其物理、力学和工程性质具有决定影响。
因此,研究冰相的存在形式和形成过程,是揭示冻土复杂性质的基础和条件。
而认识冻土的热参数及其导热特性,则是揭示冻土形成规律必不可少的条件。
本论文从冻土的材料组成入手,研究了冻结过程中的热量构成,建立了冻土
热物理参数的计算新模型,研发了室内模型试验装置,开展室内模型试验,通过模型试验结合数值模拟分析,验证了本文提出的冻土热物理参数计算新模型的有效性。
为寒冷地区的工程建设和冻结法施工,提供了设计理论基础。
获得的成果主要包括以下几个方面。
(1)揭示了土在冻结过程中的热量构成。
将未冻土当作颗粒、孔隙水和孔隙气组成的复合体,则冻结过程实质上是孔隙水的降温过程、孔隙水的结冰过程、孔隙冰的降温过程、土颗粒的降温过程共四个物理过程的组合。
因此,土在冻结过程中的热量消耗主要用于颗粒的温度变化、水(冰)的温度变化和冰水相变。
(2)揭示了土在冻结过程中,比热和导热系数的演变特点。
由于冰和水的含量在冻结阶段是不断变化的,而冰的比热和导热系数完全不同于水的比热和导热系数,因此土体的比热和导热系数是一个动态变化过程。
因此,研究土冻结阶段的导热系数和比热,必须与孔隙水的相变过程和相应
潜热相联系。
(3)根据是否存在冰水相变或潜热,提出了一种冻结过程的划分方法。
随温度降低,若土中水一直以液态形式存在则称之为未冻阶段;若存在固态
冰且液态水随温度降低逐渐减少则称之为冻结阶段;若存在固态冰但液态水不再随温度降低而减少则称之为冻实阶段。
(4)建立了完整的冻结过程三阶段比热计
算模型。
基于复合材料比热计算理论,建立了土在未冻阶段和冻实阶段的比热计算模型。
考虑相变本质和潜热的物理意义,建立了冻结阶段的比热计算模型。
从而给出了土在未冻阶段、冻结阶段和冻实阶段三个阶段完整的比热计算模型。
(5)建立了涵盖冻结过程三阶段的导热系数计算模型。
由试验现象出发,研究了密实度、含水量、温度等参数与导热系数的关系。
基于理想模型,建立了随温度变化的考虑了相变的导热系数理论模型。
并初步建立了土在未冻阶段、冻结阶段和冻实阶段共三个温度阶段的导热系数计算模型。
(6)研制了冷冻模型试验系统,开发一种三维应力状态测试装置和一种三维应变测试装置,并成功进行了冷冻模型试验。
根据冻结模型试验相似准则,开发了具有冷冻功能、温度测试功能、荷载施加和测试功能、补水功能、三维应力和三维应变测试功能的冻土模型试验系统,并进行了相应的单管冻结和双管冻结模型试验。
(7)提出了一个根据应力、应变测试数据,判断冷冻进程的方法。
通过模型试验监测冻结过程中土体内部的温度变化、三维应变变化、三维应力变化,根据三维应变和三维应力的突变点,确定了冻结的起止时间和位置,预测了土体内部的冻结过程。
(8)建立了考虑相变潜热的有限元分析方法。
基于建立的热参数模型和开发的考虑相变潜热的显热法,模拟了粘土冷冻模型试验温度场的变化过程。
(9)理论模型验证。
通过考虑相变潜热、不考虑相变潜热数值模拟结果与实测结果对比分析,验证了本文提出的热参数计算模型的可靠性。