热管在冻土路基中应用的数值模拟分析

热管在青藏高原多年冻土区高速公路应用中的适用性评价孔森;温智;吴青柏;王大雁【摘要】为了研究多年冻土区高速公路热管路基的制冷效果及适用范围,建立热管路基水热计算模型,分析不同条件下的热管路基冻土人为上限深度和热稳定状态,并将路基高度、年平均气温、气温年较差3个因素形成组合进行热管的适用范围分析.研究结果表明:对于气温年较差为12℃的冻土区,高度为4 m的热管路基适用于年平均气温低于-5.5℃的区域,高度为3 m的热管路基适用于年平均气温低于-5.8℃的区域;对于青藏高原大部分地区,在15 a的运营期限内,高速公路热管路基具有一定的局限性,其服役期限内不能保持路基稳定性;但对于风火山地区,采用高度为3 m 的热管路基可以保证工程稳定性.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(050)006【总页数】8页(P1384-1391)【关键词】热管;冷却效果;路基高度;年平均气温;气温年较差【作者】孔森;温智;吴青柏;王大雁【作者单位】中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州,730000;中国科学院大学地球科学学院,北京,100049;中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州,730000;中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州,730000;中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州,730000【正文语种】中文【中图分类】U416.1+68为了推动国家“一带一路”倡议的顺利实施，促进北方寒区经济社会发展，国家规划在“十三五”期间启动建设青藏高速公路等一大批多年冻土区高速公路工程。

高速公路在运输能力、运行速度和运营安全方面有巨大的优势，在推进西部大开发战略的实施、促进寒区经济发展以及保障国防安全等方面有不可替代的作用，然而，高速公路因其运行速度高对路面平整度和不均匀变形有严格的要求。

；c 为比热（J/kg·℃） ；t 为温度（℃） 。在非 （kg/m3） 相变区，式（3）中的 qv / λ = 0 。 （2）本构方程 当土体中作用一个温度场时，除考虑力场作用下 的应力和应变外，还需要考虑温度场对土体力场的影 响。土中的应力会随着温度的变化而变化，这种由于 温度变化产生的应力被称为热应力。 按照弹性力学方法，建立热应力方程。其中平衡 方程只与物体受力有关，而与产生力的原因无关；几 何方程中应变只与位移有关，而与引起位移的原因无 关， 所以平衡方程和几何方程的形式不变。 在变温时， 弹性体的应变由两部分组成。 （1）自由膨胀引起的正应变分量 ε 0 = αΔt ，其中 α 为膨胀系数，Δt 为温度变化值。自由膨胀引起的剪 应变分量为 0。 （2） 热膨胀时， 土体的应力–应变关系符合广义 胡克定律： 1 ε x = E (σ x − μ (σ y + σ z )) + αΔt ， 1 (4) ε y = (σ y − μ (σ x + σ z )) + αΔt ， E 1 ε z = E (σ z − μ (σ y + σ x )) + αΔt 。 联合温度场微分方程和热力本构关系，可以得到 热力耦合控制方程。 在进行冻胀位移计算时，地铁隧道衬砌管片设为 线弹性材料；土体亦假设为线弹性材料，但其弹性模 量的取值随温度变化而变化；土体的冻胀率通过原状 土的冻胀试验确定。 2.2 计算参数的取值方法 土样的物理力学性质指标、热物理参数随冻结过 程存在较大的变化，若采用常量指标进行运算不符合 实际情况，本文根据室内试验得出导热系数、比热以 及其他指标随温度场的变化规律， 在进行数值计算时， 通过建立比热、导热系数随温度场变化的场变量赋予 冻土的热物理参数，同时也考虑了模量随温度场的变 化。从而建立了计算参数随温度场变化的热力耦合的 数值计算方法。 本文结合天津地铁某联络通道的人工冻土工程， 利用上述方法代入随温度场变化的参数指标进行计 算，具体取值见下文第 3.2 节。

埋地保温管道下多年冻土热状态数值研究车富强;周刚义;山军鹏;段世龙;王继鹏【摘要】基于加格达奇地区实测气温以及典型点月平均出站油温监测资料,利用二维有限元模型对典型冻土工程地质地段运行50 a有无保温材料埋地热油管道周围土体的冻融过程以及融化圈发展过程进行数值计算.研究表明:管道中心剖面,春季管道附近存在双向融化,冬季地表向下单向冻结,管底土体始终处于融化状态;原天然地层土体春季单向融化,冬季双向冻结;管道周围土体融化圈和融化深度随着时间的推移逐渐变大,管道运行50 a后,无保温材料管道管底融深高达6.9 m;土壤融化速率在第1年达到最大,随后迅速减小,10 a后基本不变;保温材料对管道周围土体冻融过程、冻融圈、冻融深度的发展有明显的抑制作用,尤其在管道运营初期抬升了下部土体温度.【期刊名称】《黑龙江大学工程学报》【年(卷),期】2019(010)001【总页数】8页(P20-27)【关键词】埋地管道;保温材料;冻融过程;融化圈;数值模拟【作者】车富强;周刚义;山军鹏;段世龙;王继鹏【作者单位】国家林业和草原局大兴安岭勘察设计院,黑龙江加格达奇 165000;国家林业和草原局大兴安岭勘察设计院,黑龙江加格达奇 165000;国家林业和草原局大兴安岭勘察设计院,黑龙江加格达奇 165000;国家林业和草原局大兴安岭勘察设计院,黑龙江加格达奇 165000;国家林业和草原局大兴安岭勘察设计院,黑龙江加格达奇 165000【正文语种】中文【中图分类】TE8320 引言作为中国四大能源战略通道之一的中俄原油管道，在中国境内全长933.11 km，穿越大兴安岭原始森林、自然保护区等冻土区[1]。

由于管道实际输油温度高于原设计温度、管权范围内植被铲除、地表施工扰动及全球气候转暖等因素的影响，管周土融沉是冻土区管道安全运营存在的主要风险之一。

其中冻土沼泽湿地是融沉灾害防治的重点区域[2]。

针对管道面临的融沉问题，主要采取增加壁厚、管道局部粗颗粒土换填、管道保温等应对措施。

(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.