寒區(qū)工程理論與應(yīng)用

前言

　　全世界有3 576萬km2的多年凍土，約占陸地面積的24％。在我國，多年凍土約占國土面積的22％，季節(jié)凍土約占國土面積的48％；我國是世界第三凍土大國。由于我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，在寒區(qū)修建的工程越來越多，這些工程的修建改變了原有凍土環(huán)境的熱平衡狀況，加上全球氣候變暖的影響，凍土退化日益嚴(yán)重。凍土和其他巖土的根本區(qū)別在于凍土中由于冰和未凍水的存在，其性質(zhì)極其復(fù)雜，且對溫度十分敏感，溫度升高，承載力降低。對于高含冰量凍土，如果融化，由于土中孔隙水無法快速排除，可導(dǎo)致其喪失承載力。如何消除凍脹、融沉病害便成了寒區(qū)工程亟待解決的問題。早在20世紀(jì)40年代，由于凍土融化導(dǎo)致阿拉斯加和加拿大北部地區(qū)軍事工程和公路病害頻發(fā)，這促進(jìn)了凍土研究的快速發(fā)展?！　≡谖覈?956年青藏公路首次改建時發(fā)現(xiàn)了多年凍土問題。國道109（青藏公路）、214（青康公路）、227（寧張公路）穿越多年凍土區(qū)千余公里，多年凍土與寒區(qū)工程建設(shè)關(guān)系密切。50余年來，我國一批批的寒區(qū)科技工作者在寒區(qū)工程建設(shè)中不斷認(rèn)識凍土，發(fā)展了寒區(qū)工程的修筑技術(shù)，積累了豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為寒區(qū)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)。　　在20世紀(jì)，寒區(qū)工程因受經(jīng)濟(jì)條件的制約，主要采用被動保溫措施來延緩凍害對工程的破壞，無法解決氣候變暖和工程活動引起的多年凍土退化導(dǎo)致凍脹、融沉等凍害對寒區(qū)工程的破壞問題。本書內(nèi)容之一是討論在無法人為改變外界氣候條件的情況下，如何采取各種有效措施，盡量消除或減輕上述凍害現(xiàn)象的發(fā)生，保持寒區(qū)工程的熱學(xué)、力學(xué)穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)寒區(qū)工程的安全穩(wěn)定。本書的另一內(nèi)容是討論如何分析寒區(qū)工程的溫度和力學(xué)特性，為設(shè)計(jì)部門提供計(jì)算理論。

內(nèi)容概要

本書根據(jù)作者多年來的科研積累和國內(nèi)外學(xué)者的成果撰寫而成，力求反映當(dāng)前寒區(qū)工程方面的最新理論。全書共十章，內(nèi)容主要有：凍土的強(qiáng)度準(zhǔn)則和本構(gòu)關(guān)系，寒區(qū)道路主動冷卻路基的降溫效果及其理論計(jì)算方法，凍土路基在靜力、火車荷載、地震荷載作用下的變形分析方法，季節(jié)凍土區(qū)路基的凍害防治理論及技術(shù)，寒區(qū)隧道溫度和力學(xué)特性分析方法，寒區(qū)隧道的凍害及其綜合防治措施，寒區(qū)涵洞和樁基礎(chǔ)溫度特性分析方法，寒區(qū)水利工程溫度和力學(xué)特性分析方法。    本書資料翔實(shí)，內(nèi)容豐富，可供建筑工程、鐵路公路、煤炭礦山、水利水電、巖土力學(xué)與工程等方面從事勘察、設(shè)計(jì)、施工、科研與教學(xué)的科技人員和研究生參考閱讀。

作者簡介

賴遠(yuǎn)明，博士，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者（2002年），中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，研究員，博士生導(dǎo)師。l998～1999年在加拿大Laval University留學(xué)。2000年獲“中國科學(xué)院院長特別獎”，2002年獲“全國百篇優(yōu)秀博士論文”獎，200

書籍目錄

前言第一章 凍土的基本力學(xué)性質(zhì)  第一節(jié)  凍土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系  第二節(jié)  凍結(jié)砂土的強(qiáng)度特性  第三節(jié)  凍土蠕變模型  第四節(jié)  凍土長期強(qiáng)度  第五節(jié)  凍土彈塑性本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)研究  第六節(jié)  凍土的彈粘塑性本構(gòu)方程  參考文獻(xiàn)第二章 凍土道路工程溫度特性分析方法  第一節(jié)  多年凍土區(qū)路基凍土工程地質(zhì)類型的劃分  第二節(jié)  凍土路基的設(shè)計(jì)原則  第三節(jié)  多年凍土區(qū)路基臨界高度的確定方法  第四節(jié)  保溫材料對路基溫度特性的影響  第五節(jié)  塊碎石層的降溫機(jī)理和最佳粒徑  第六節(jié)  開放邊界塊碎石路基的溫度特性分析方法  第七節(jié)  封閉邊界塊碎石路基的溫度特性分析方法  第八節(jié)  U形塊碎石路基的溫度特性  第九節(jié)  多年凍土路堤塊碎石層高度研究  第十節(jié)  開放傾斜塊碎石層降溫特性及最佳降溫粒徑  第十一節(jié)  利用塊碎石護(hù)坡調(diào)節(jié)  凍土路基陰陽坡的溫度分布  第十二節(jié)  多年凍土區(qū)塊碎石換填路塹熱穩(wěn)定性分析  第十三節(jié)  多年凍土區(qū)管道通風(fēng)路堤氣一固耦合傳熱模型及其數(shù)值分析方法  第十四節(jié)  復(fù)合溫控隔熱門通風(fēng)路基溫度特性分析  第十五節(jié)  多年凍土區(qū)高等級公路通風(fēng)管一塊碎石層復(fù)合路基溫度場特征非線性分析  第十六節(jié)  多年凍土區(qū)熱管路基溫度特性分析方法  第十七節(jié)  凍土路基的隨機(jī)溫度場分析方法  參考文獻(xiàn)第三章 凍土路基變形分析方法  第一節(jié)  凍土路基的蠕變變形分析  第二節(jié)  凍土路基的凍脹變形  第三節(jié)  凍土路基的凍脹、融化變形的簡單計(jì)算方法  參考文獻(xiàn)第四章 凍土路基的動力響應(yīng)分析方法  第一節(jié)  凍土路基在火車荷載作用下的動力響應(yīng)分析方法  第二節(jié)  凍土路基在地震荷載作用下的動力響應(yīng)分析  第三節(jié)  凍土路基地震液化分析方法  參考文獻(xiàn)第五章 季節(jié)  凍土區(qū)道路凍害防治理論及技術(shù)  第一節(jié)  季節(jié)  凍土區(qū)道路凍害機(jī)理  第二節(jié)  季節(jié)  凍土區(qū)道路防凍層厚度計(jì)算方法  第三節(jié)  季節(jié)  凍土區(qū)路基的凍害防治技術(shù)  第四節(jié)  凍土區(qū)涎流冰防治技術(shù)  參考文獻(xiàn)第六章 寒區(qū)隧道溫度特性分析方法  第一節(jié)  寒區(qū)圓形截面隧道溫度場的攝動解法  第二節(jié)  寒區(qū)隧道水分場和溫度場耦合問題的非線性分析方法  第三節(jié)  寒區(qū)隧道滲流場和溫度場耦合問題的非線性分析方法  第四節(jié)  寒區(qū)隧道空氣與圍巖對流換熱和圍巖熱傳導(dǎo)耦合問題的非線性分析方法  參考文獻(xiàn)第七章 寒區(qū)隧道力學(xué)特性分析方法  第一節(jié)  寒區(qū)隧道圍巖凍脹力的粘彈性解析解  第二節(jié)  隧道圍巖和襯砌初始應(yīng)力的彈塑性有限元分析  第三節(jié)  溫度場、滲流場和應(yīng)力場耦合問題的非線性分析方法  第四節(jié)  寒區(qū)隧道凍脹、融化大變形固結(jié)耦合問題的非線性分析方法  參考文獻(xiàn)第八章 寒區(qū)隧道的凍害及其防治技術(shù)  第一節(jié)  寒區(qū)隧道的凍害  第二節(jié)  寒區(qū)隧道的凍害防治措施  第三節(jié)  寒區(qū)隧道隔熱層設(shè)計(jì)參數(shù)的實(shí)用計(jì)算方法  參考文獻(xiàn)第九章 寒區(qū)涵洞與樁基礎(chǔ)  第一節(jié)  寒區(qū)涵洞現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)水化熱的影響分析  第二節(jié)  高溫多年凍土區(qū)旱橋樁基礎(chǔ)溫度特性分析  第三節(jié)  凍土區(qū)橋梁群樁基礎(chǔ)的混凝土水化熱的放熱過程及溫度場的非線性分析  第四節(jié)  樁的抗凍拔計(jì)算  第五節(jié)  季節(jié)  性凍土區(qū)凍脹反力的計(jì)算方法  第六節(jié)  寒區(qū)涵洞和樁基凍害防治技術(shù)  參考文獻(xiàn)第十章 寒區(qū)水利工程理論分析與冰凍害防治  第一節(jié)  寒區(qū)大壩溫度場和滲流場耦合問題的非線性數(shù)值模擬  第二節(jié)  寒區(qū)水渠的熱力耦合數(shù)值分析  第三節(jié)  寒區(qū)水利工程的冰凍害及其防治技術(shù)  參考文獻(xiàn)作者簡介

章節(jié)摘錄

　　第七章 寒區(qū)隧道力學(xué)特性分析方法　　第一節(jié) 寒區(qū)隧道圍巖凍脹力的粘彈性解析解　　在寒冷地區(qū)開挖隧道后，隧道原有的穩(wěn)定熱力條件遭到破壞，代之以開放通風(fēng)對流，避開太陽熱輻射的新的熱力系統(tǒng)，從而創(chuàng)造了隧道圍巖形成季節(jié)凍土或多年凍土的條件。當(dāng)圍巖中的裂隙、孔隙水凍結(jié)時會發(fā)生體積膨脹，在這種體積膨脹受到隧道襯砌和未凍巖體的約束時，凍結(jié)圍巖便會對隧道襯砌產(chǎn)生作用力，這就是圍巖的凍脹力。凍脹力與其他作用力共同作用于隧道襯砌上可能造成隧道的開裂和剝落，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)漏水、結(jié)冰、掛冰等凍害，威脅隧道的正常運(yùn)營。20世紀(jì)70～80年代，日本對東北寒冷地區(qū)隧道的調(diào)查分析結(jié)果表明，凍脹力是寒冷地區(qū)隧道變形破壞的外力根源。同時，凍融作用會加劇圍巖的風(fēng)化作用，圍巖破碎程度的增加義為凍脹力的發(fā)育提供了更有利的條件，從而加劇了凍脹力。這種惡性循環(huán)嚴(yán)重威脅著襯砌的穩(wěn)定性。在我同東北和西北地區(qū)有30多座鐵路隧道，由于地處寒區(qū)，這些隧道都有不同程度的凍害。有的隧道南于凍害的影響，常年有8～9個月不能使用。有的隧道由于凍脹力作用襯砌裂縫寬達(dá)5 cm，嚴(yán)重影響正常交通。迄今為止，還沒有見到寒區(qū)隧道凍脹力計(jì)算的報道。為解決工程中的這些實(shí)際問題，為設(shè)計(jì)計(jì)算提供理論依據(jù)，這里根據(jù)粘彈性力學(xué)理論，給出寒區(qū)隧道凍脹力的粘彈性解析解。

編輯推薦

　　《寒區(qū)工程理論與應(yīng)用》內(nèi)容之一是討論在無法人為改變外界氣候條件的情況下，如何采取各種有效措施，盡量消除或減輕上述凍害現(xiàn)象的發(fā)生，保持寒區(qū)工程的熱學(xué)、力學(xué)穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)寒區(qū)工程的安全穩(wěn)定。

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