赵永峰;谢强;王子江;赵文;朱磊
【摘 要】Based on an established mathematical model of unsteady phase change temperature field,the coarse-grained soil slope of Xinduqiao seasonal frozen soil region along Sichuan-Tibet railway was studied. Combing with field monitoring,the variation law of freeze-thaw interface,the temperature field distribution characteristics of slope and the temperature field distribution of slope different parts were analyzed. The results show that the maximum freezing depth of coarse-grained soil slope in the Xinduqiao region is 0. 8 ~1. 0 m,and the temperature gradient change is the most intense in the range of 2 m below the surface. The temperature field shape changing with air temperature in the slope non-constant temperature layer is sinusoidal,and the temperature change of ground 4 m below the surface lags 0 ~3 m months than the temperature change of surface. In addition,the difference of the maximum freezing depth of slope different parts is about 0 ~30 cm.%以川藏铁路新都桥季节性冻土区粗颗粒土边坡为研究对象,通过建立边坡非稳态相变温度场的数学
模型,并结合现场监测,分析边坡冻融界面变化规律、温度场分布特征及边坡不同部位的温度场分布特征.结果表明:新都桥地区粗颗粒土边坡最大冻结深度在0.8~1.0 m,且地表以下2 m范围内温度梯度随时间变化最为剧烈;边坡非恒温层范围内温度场随大气温度变化呈正弦规律变化,且从地表至地下4 m温度变化相对滞后0~3个月;此外,边坡不同部位最大冻结深度约有0~30 cm的差异. 2022年横店景区免费【期刊名称】《铁道建筑》
去八达岭长城攻略【年(卷),期】2017(000)005
【总页数】5页(P95-99)
【关键词】川藏铁路;季节性冻土区;粗颗粒土边坡;数值计算;现场试验;温度场特征;相变界面
【作 者】赵永峰;谢强;王子江;赵文;朱磊
【作者单位】西南交通大学 地球科学与环境工程学院,四川 成都 611756;西南交通大学 地
球科学与环境工程学院,四川 成都 611756;中国中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610031;西南交通大学 地球科学与环境工程学院,四川 成都 611756;西南交通大学 地球科学与环境工程学院,四川 成都 611756
【正文语种】中 文
【中图分类】U213.1
在建的川藏铁路穿越大量的高海拔寒区富水坡麓。根据大量的实地调查发现，这类坡洪积层粗颗粒冻土边坡在季节性冻融作用下经常会发生破坏。研究土体地温的分布规律是季节性冻土区路基边坡稳定性分析的重要基础。
众多学者对冻土温度场进行了大量的研究。汪海年等［1］分析了路基高度、线路走向、边坡坡度、风速、辐射、蒸发等多种因素对路基温度场的影响，并指出线路走向对路基温度场有较大影响;田亚护等［2］建立了伴有相变的路基温度场有限元模型，指出保温层对提高冻土上限有明显作用;王铁行等［3］通过综合考虑路基走向、风速、辐射、蒸发等多种因素，提出了不同边界条件下温度场的有限元计算方法;毛雪松等［4］从水热耦合角度研
究了路基温度场和水分场的分布规律;赖远明、米隆等［5-6］对抛石路基的温度场进行了数值分析和研究，发现抛石路基具有良好的调节路基温度分布的能力。综合众多的研究可以发现，目前对冻土温度场的研究多集中于多年冻土地区的铁路、公路路基，而针对季节性冻土区边坡的现场测试及数值计算较少，尤其是针对季节性冻土区粗颗粒土边坡温度场的研究更少。
鉴于此，本文以川藏铁路新都桥地区坡洪积层粗颗粒冻土边坡为研究对象，运用ANSYS有限元分析软件，建立伴有相变的边坡温度场模型，并结合现场监测，对季节性冻土区粗颗粒土边坡的最大冻结深度、温度场分布规律及各月份的温度场变化规律进行研究，可为川藏铁路修建过程中的边坡冻胀防护及治理提供参考。
南山竹海在哪里1.1 计算原理
在土体融化和冻结过程中，考虑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，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。
对于含有相变的热传导问题，由于相变界面上温度随时间的变化曲线是间断的，所以在计
算中引入一个新的变量——焓，用于考虑冰水相变过程中材料的潜热。把焓和温度同时作为待求函数，而且焓随时间的变化关系H～t是连续的。因此，用数值方法求解焓分布时，不需要跟踪两相界面，从而使液相区和固相区统一处理成为可能［7］。焓场解出后，温度场就可容易解得。焓的单位是J/m3，是密度与比热容的乘积对温度的积分，其表达式为
当T＞0℃时
当T≤0℃时
式中:ρ为材料密度;ρd为材料干密度;C为材料比热容;T为边坡某处温度;Csu，Csf，Cw，Ci分别为未冻土骨架、冻土骨架、水和冰的比热容;W，Wu分别为土体的总含水量、未冻水含量。
含有相变的温度场的微分方程为
式中:t为时间;λ为材料的热传导系数。
冻土、未冻土的热传导系数 λf，λu及 Csf，Csu，Wu计算式分别为
式中:γd为干重度;a，b为与土质有关的经验常数。对于黏土，a=12.601 1，b=0.551 2;对于砂土，a= 1.694 5，b=0.610 4。
采用大型有限元软件ANSYS进行边坡温度场的数值模拟。在ANSYS中进行热分析主要分为稳态分析和瞬态分析2种类型。针对季节性冻土区粗颗粒土边坡温度场的分析，在求解过程中由于有水的相变发生，土体的热性能参数随温度而变化，而且荷载是随时间变化的，所以是非线性瞬态热传导分析。
为了表达随时间变化的温度荷载，必须将温度～时间曲线分为荷载步。对于每一个荷载步，必须定义荷载值及时间值。同时把荷载步定义为渐变荷载步，即荷载在每一个荷载步内是逐渐随时间变化的。然后由已知的试验数据计算在不同温度时土体中的未冻水含量，通过式(1)和式(2)计算出土体在不同温度时的焓值，在时间领域内采用差分法和在空间领域内采用有限元法，从而求解出在不同时刻、不同空间领域内的温度场的分布。
1.2 几何模型及参数
1.2.1 几何模型
边坡沿纵向可认为是无限延伸的，所以研究边坡的温度场及其稳定性问题时，取其横断面简化为二维问题来处理则计算工作量相对比较少。
根据现场实际情况，模型采用2级边坡。第1级边坡坡高4.3 m，坡角36°。第2级边坡坡高3.7 m，坡角8°。考虑到边界效应，第1级边坡坡脚至模型左边界的距离取为50 m，第2级边坡坡顶至模型右边界的距离取为50 m。
对于模型下边界，一般取为恒温带所处的位置。由于恒温带的深度受多种因素影响，每个地区恒温带的深度都不尽相同。因此拟通过数值模拟对模型的下边界尺寸进行分析。由模拟结果可知，年温度变化最大影响深度大约在地下10 m以内。此外，根据以往经验模型的深度一般取坡高的2～3倍。综合以上因素，取下边界深度为20 m。
常州恐龙园附近还有什么地方玩根据现场温度及地下水监测情况，将模型分为3层。地表1 m范围内受冻融影响，含水量大，土质较为疏松，为第Ⅰ层。边坡上部地下水位线以上部分为第Ⅱ层。地下水位线以下为第Ⅲ层。
有限元计算模型如图1所示。
1.2.2 土体参数
现场边坡的土质为角砾土。对现场土进行取样并进行相关物理力学参数的室内试验。相关热学参数由上述经验公式式(1)～式(8)计算得到，此处不作详细介绍。
1.3 边界条件及初始条件
1.3.1 边界条件
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根据下附面层理论［8］，假定该地区年平均气温不随年份增加而改变，则下附面层底的温度变化可简化成如下三角函数形式
式中:T0为下附面层底的初始年平均地温;A为日平均气温年振幅;α为初始时间。
根据新都桥地区相关气象资料进行拟合，得上边界的温度函数为
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因为下边界位于恒温层，据观测，年恒温带温度大致等于或略高于当地的年平均气温，故在此取下边界温度为年平均气温7.6℃。
由于边坡25 m以外的天然土体对边坡温度场的影响甚微，故定义两侧边界为绝热边界。
1.3.2 初始条件
计算过程的初始时刻应选在没有相变温度出现的时刻，即非冻融交替的时刻。本文取2015年12月为计算过程的初始时刻。利用ANSYS有限元软件模拟计算时，首先将各测温孔不同深度初始时刻的实测数据作为温度约束施加于计算模型网格划分后的对应节点上。然后利用式(10)作为上边界条件求解方程式(9)，直到年变化层以下的温度场基本保持稳定且相同位置上的温度在同一时间段逐年相同为止。取此时各个节点的温度作为初始条件。
