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文章编号：1009 -4539(2020) 05 - 0021 -04•科技研究•严寒地区深基坑土体温度场动态变化研究邵莹(中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安710043)摘要：对冬季期间呼和浩特地铁车站主体深基坑进行现场土体温度测试，分析测试孔温度变化规律，得出基坑截 面冻结范围；同时,提出水热力耦合模型，拟合实测气温数据得出基坑表层土体温度曲线，通过建立数值模型对基 坑土体温度场进行模拟。
并比对现场试验数据对模型进行验证，研究严寒条件下深基坑土体温度场动态变化规 律。
结果表明：基于水热力耦合模型基坑温度场模拟仿真，与现场检测试验数据变化规律基本相同，可作为基坑温 度场模拟计算有效手段，为进一步分析研究土体冻胀应力提供基础支撑。
关键词：严寒地区深基坑温度场中图分类号：U231.4文献标识码：A D O I：10. 3969/j. issn. 1009-4539. 2020.05. 005Study on Dynamic Change of Soil Temperature Field of DeepFoundation in Severe Cold AreaS H A O Ying(China Railway First Survey and Design Institute Group Co. Ltd., Xi* an Shaanxi 710043, China)A bstract：In the winter, the soil temperature of the deep excavation pit in Hohhot metro station is tested, the law of soiltemperature change in the test hole is analyzed, and the freezing range of the deep excavation is obtained. Meanwhile, the coupled model of Moisture Heat and Stress Fields during soil freezing is proposed, the temperature curve of the surface soili s obtained by fitting the measured temperature data, and the soil temperature field of the deep excavation i s simulated byestablishing the numerical analysis model. By comparing with the site measurement data, the dynamic change law of soil temperature field in deep excavation under severe cold condition is studied. T^ie results show that the simulation of temperature field in deep excavation based on the coupled model of Moisture Heat and Stress Fields is basically the s a m e as the change law of site measurement data, which can be used as an effective method for the simulation calculation of temperature field in deep excavation pit and provide the basic support for further analysis and research of soil frost heave stress.Key w ords：severe cold area； deep excavation； temperature field1引言在严寒地区，低温及大温差对深基坑支护结构 及周边土壤带来的影响是不可忽视的[1]，地铁基坑 常用止水和竖向深基坑开挖方式[2],基坑开挖后，坑底及支护结构背侧水土将受到低温的严重影响，收稿日期：2020-02-13基金项目：中铁第一勘察设计院集团有限公司科研开发计划项目(17-45)作者简介：邵莹（1982 -)，男，安徽蚌埠人，高级工程师，硕士，主要从 事城市轨道交通结构设计及地下工程设计工作；E-mail:30211252@ 严寒条件下易引起水土冻胀，目前水土冻胀的机理 研究尚不深入,国内设计和施工规范规程也未明确 水土冻胀力计算方式以及水土冻胀对支护结构影 响的量化计算,对严寒条件下明挖基坑支护设计造 成很大的困扰。
不同位置设置保温层对高海拔严寒隧道温度影响的数值模拟分析摘要: 对寒冷环境中反复冻融作用引起的隧道病害、冻害的形成机理的研究是不足的，也缺乏一套针对季节性高寒冷地区的行之有效的防治冻害的技术措施，导致当前高海拔严寒地区公路隧道冻害问题严重。
以在建国道217线独山子至那拉提段改建工程第二合同段（K714+000～K765+498.518）跨越天山北山脉的新建玉希莫勒盖隧道为依托工程，通过数值分析探讨高海拔高寒山强季节性冻土区公路隧道不同位置设置保温防寒层隧道温度的变化，指导了该隧道的施工，达到了安全可靠、质量优良的效果，为今后同类隧道的设计、施工积累宝贵的经验，提高工程建设水平。
关键词: 隧道工程；严寒地区；保温层设置；数值分析1. 引言在中国的东北、西北和西南高海拔地区修筑隧道，由于受寒冷气候的影响，易产生隧道冻害现象，如衬砌漏水、挂冰；路面(隧底)冒水、积冰、冻胀；衬砌开裂、变形、酥碎、剥落；洞门墙开裂等。
这些冻害一旦发生，不仅会使隧道衬砌遭到不同程度的破坏，而且挂(积)冰、冻胀还会侵入行车限界危及行车安全。
其后果不仅给隧道运营管理带来了很大的工程隐患，处理起来费工、费时、费财。
而且在冬季大大弱化了隧道的使用功能，造成了巨大的资源浪费和经济损失。
例如新疆的天山二号公路隧道，长1O07m，投资5480多万元，1988年8月底完工时就发生了严重的渗漏现象，进入9月后由于路面结冰、洞顶挂冰，车辆无法通行。
多年来，由于反复冻融破坏，该隧道目前已不再通车运营，近乎报废。
据铁道部门统计，截至1994年，我国属于严寒地区的铁路隧道有70～80座，由于气候影响和隧道防排水处理不当，不少隧道冬季存在积水结冰、衬砌胀裂、线路冻胀等病害，严重威胁行车安全。
多年来，隧道工作者为此多方进行了积极探索，但现实仍不容乐观。
随着我国交通事业的快速发展，特别是随着西部大开发和振兴东北经济政策的进一步落实，在西部的高海拔寒冷地区和北部的高纬度寒冷地区将会有大量新的隧道建成。
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℃。
高寒地区混凝土结构冻胀的数值模拟方法研究张国新郑璀莹（中国水利水电科学研究院结构所北京 100038）【摘要】在高寒地区，水工建筑物的冻胀是一个较为普遍的现象，在位移观测中，表现为坝顶位移观测过程呈“双峰”现象，这是温度升降引起的热胀冷缩与冻胀融缩联合作用的结果。
由于物理过程复杂，混凝土结构的冻胀未见用数值方法进行模拟的。
本文研究了考虑水-冰相变的温度场的计算方法，通过有限元仿真分析的方法对高寒地区混凝土结构进行冻胀模拟，所得计算结果与实验值、观测值验证良好。
【关键词】冻胀相变仿真分析0 前言冻融破坏是北方地区水工混凝土建筑物的主要病害之一。
当混凝土的孔隙率和饱和度达到一定程度之后，冬季气温降低至一定程度时，孔隙水会结冰。
由于水在由液态到固态的相变过程中，会有9%左右的体积膨胀，这个体积膨胀会在混凝土的细观尺度上引起不均匀的应力分布，局部应力超标后会引起混凝土的局部损伤。
在大体积混凝土结构的内部，由于材料颗粒之间的相互约束，冰冻仅在局部引起较大的压应力，因而一般不会引起严重损伤；而结构表面附近由于自由面的存在，冰的膨胀受约束较小，会引起平行于自由面法向的拉应力，而当拉应力超出材料的强度时，出现细观裂缝，加上结构表面一般饱和度高，冰膨胀率大，会引起相对严重的损伤。
在反复冻融作用下，结构表面会出现剥离等病害现象。
冻融破坏一般发生在大体积混凝土的表层。
而在我国北方及北欧等高寒地区，水工建筑物内部的冻胀破坏是较为普遍的现象，其表现为冬季气温降至零下以后，结构尺寸不仅不随温度降低而缩小，反而出现膨胀。
建筑物的冻胀即是孔隙水结冰过程中体积膨胀的宏观表现。
由于冻胀作用破坏了局部材料的内部细微观构造，因此变形在温度再次升高到正温时一般不能恢复到0，即存在残余冻胀。
残余冻胀是混凝土细观损伤的宏观表现。
建筑物在荷载及环境因素作用下，呈复杂的变形与受力状态。
当兼有冻融作用后，变形和受力状态变得极为复杂。
观测结果表明，我国北方地区混凝土坝的坝顶变形表现出逐年长高和“双峰”现象，即在入冬后，坝高随着气温降低而增加（冬胀），当气温达到最低时，坝顶竖向位移达到第一个峰值；之后，随气温的升高坝高逐渐降低，到4～5月份时，坝顶变形量达到底谷；随后，随着气温的升高，坝体又发生升高变形，到7～8月气温最高时，变形达到了第二个峰值。
冻土温度状况计算方法冻土是指在较长时间内，土壤中的水分在低温条件下发生冻结现象的地域。
冻土温度的状况对于工程建设、地质环境、生态系统等方面都具有很大的影响。
因此，了解冻土温度的计算方法是非常重要的。
冻土温度的计算方法可以分为理论计算和实测方法两种。
一、理论计算方法：1.传热模型法：通过建立传热模型，计算冻土温度的分布。
常用的传热模型有一维传热模型、二维传热模型和三维传热模型。
这种方法需要详细了解冻土物理性质、边界条件和热源情况。
2.数值模拟法：利用计算机数值模拟软件，建立冻土物理模型，通过计算得到冻土温度的分布。
这种方法需要对计算软件的使用要求较高。
3.解析解法：根据已知的边界条件和热源情况，利用解析解的方法，求解冻土温度的分布。
这种方法适用于边界条件简单的情况。
二、实测方法：1.测温孔法：在冻土中打入测温孔，利用测温仪器测量孔中的温度，从而获得冻土温度的分布。
这种方法适用于小范围的冻土区域。
2.电阻绝缘温度计法：将电阻绝缘温度计埋入冻土中，通过测量电阻的变化，计算冻土温度的分布。
这种方法适用于长期、连续测量冻土温度的情况。
3.红外线测温法：利用红外线测温仪从远距离对冻土进行非接触式测温，可以快速获得冻土温度的分布。
这种方法适用于大范围的冻土区域。
需要注意的是，不同的计算方法适用于不同的情况。
在选择计算方法时，需要考虑冻土区域的范围、边界条件的复杂程度、数据的可获得性等因素。
此外，冻土温度的计算中还需要考虑影响冻土温度的因素，如气候条件、地下水位、土壤性质等。
只有综合考虑这些因素，才能得到准确的冻土温度计算结果。
