汽车学科前沿讲座报告

第一篇：汽车学科前沿讲座报告

本周的学科前沿讲座使我们又回顾了不就前刚刚学过的汽车构造这么学科，让我又有了新的收获和理解。汽车学科前沿讲座报告

汽车的发展史

卡尔·弗里特立奇·本茨（Karl Friedrich Benz，1844年11月25日－1929年4月4日），德国著名的戴姆勒－奔驰汽车公司的创始人之一，现代汽车工业的先驱者之一，人称“汽车之父”、“汽车鼻祖”。

1890-1920 马车过渡到汽车，金属车身出现 1885年，德国工程师卡尔•本茨制成了世界上第一辆三轮车，并于1886年1月29日申请并获得了发明专利，所以，1886年1月29日被认为汽车的诞生日。几乎同时，,德国工程师戈特利布·戴姆勒也成功研制成一辆公认的以内燃机为动力的四轮汽车.1894年奔驰velo是最早的量产汽车.进入20世纪以后，汽车不再仅是欧洲人的天下了，特别是亨利.福特(HeneryFord)在1908年10月开始出售著名的“T”型车时，这种车产量增长惊人，短短19年，就生气1500辆。此间的1913年福特汽车公司还首次推出了流水装配线的大量作业方式，使汽车成本大跌，汽车价格低廉，不再仅仅是贵族和有钱人的豪华奢侈品了，它开始逐渐成为大众化的商品。也是此时开始，美国汽车便成为世界宠儿，福特公司也因此成为名副其实的汽车王国。所以，人们说，汽车发明于欧洲，但获得大发展那是在本世纪初30年代的美国。福特采用流水作业生产汽车，在汽车发展史上树起了第三块里程碑。

汽车基本知识

汽车一般由发动机、底盘、车身和电气设备等四个基本部分组成.发动机：是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。无论是汽油机，还是柴油机；无论是四行程发动机，还是二行程发动机；无论是单缸发动机，还是多缸发动机。要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，都必须具备以下一些机构和系统。

汽车底盘构造 : 底盘： 底盘作用是支承、安装汽车发动机及其各部件、总成，形成汽车的整体造型，并接受发动机的动力，使汽车产生运动，保证 正常行驶。底盘由 传动系、行驶系、转向系和制动系 四部分组成

汽车车身：是指汽车的外壳,内饰,坐椅等.汽车电器设备电气设备： 汽车电气设备主要由蓄电池、发电机、调节器、起动机、点火系、仪表、照明装置、音响装置、雨刷器等组成。

发动机的基本知识

汽车发动机主要结构是机体，其他构件都是安装在机体上。主要由曲柄连杆机构，配气机构，燃油供给系统，润滑系统，冷却系统，汽油机有点火系统，以及电子控制系统等。

汽油发动机（Gasoline Engine），是以汽油作为燃料的发动机。由于汽油粘性小，蒸发快，可以用汽油喷射系统将汽油喷入气缸，经过压缩达到一定的温度和压力后，用火花塞点燃，使气体膨胀做功。汽油机的特点是转速高，结构简单，质量轻，造价低廉，运转平稳，使用维修方便。汽油机在汽车上，特别是小型汽车上大量使用，至今不衰。

柴油发动机的优点是功率大、经济性能好。柴油发动机的工作过程与汽油发动机有许多相同的地方，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个行程。但由于柴油机用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却较汽油低，因此可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。

汽车前沿技术

汽车的电子化、智能化、网络化是现代汽车发展的重要标志，随着消费者对汽车功能和性能要求的日益提高，汽车正在逐渐由机械系统向电子系统转换，目前全球汽车电子产业面临着高速增长的机遇。在国外，电子系统已占到一辆普通轿车总成本的30%，在高级轿车上比例更高，在国内，中高级轿车电子装置的配置已经接近或达到了国外汽车工业发达国家水平。但我国汽车电子业总体上还与国外有很大差距，需要加大研究投入的力度。汽车电子技术经过两个阶段的发展，现正处在第三个阶段。第一阶段的汽车电子设备主要采用分立电子元件组成电子控制器，并开始由分立电子元件产品向集成电路产品过渡；第二阶段则主要采用集成电路和8位微处理器开发汽车专用的独立控制系统；第三阶段开始于20世纪90年代，汽车电子设备广泛采用16位或32位微处理器进行控制，控制技术向智能化、网络化方向发展。在该阶段出现了很多新的技术研究领域和研究热点。

线控技术DBW

汽车的各种操纵系统正向电子化、自动化方向发展，在未来的5～10年里，传统的汽车机械操纵系统将变成通过高速容错通信总线与高性能CPU相连的电气系统。如汽车将采用电气马达和电控信号来实现线控驾驶、线控制动、线控油门和线控悬架等，采用这些线控系统将完全取代现有系统中的液压和机械控制。

CAN总线网络

随着电控单元在汽车中的应用越来越多，车载电子设备间的数据通信变得越来越重要，以分布式控制系统为基础构造汽车车载电子网络系统是很有必要的。大量数据的快速交换、高可靠性及廉价性是对汽车电子网络系统的要求。在该网络系统中，各处理机独立运行，控制改善汽车某一方面的性能，同时在其它处理机需要时提供数据服务。汽车内部网络的构成主要依靠总线传输技术。汽车总线传输是通过某种通讯协议将汽车中各种电控单元、智能传感器、智能仪表等联接起来，从而构成的汽车内部网络。其优点有：减少了线束的数量和线束的容积，提高了电子系统的可靠性和可维护性；采用通用传感器，达到数据共享的目的；改善了系统的灵活性，即通过系统的软件可以实现系统功能的变化。CAN总线是德国博世公司在20世纪80年代初开发的一种串行数据通讯协议。它的短帧数据结构、非破坏性总线仲裁技术以及灵活的通讯方式，使CAN总线具有很高的可靠性和抗干扰性，满足了汽车对总线的实时性和可靠性的要求。

机自

07-9班

王淼03071213

第二篇：学科前沿讲座

学科前沿讲座

专业班级： 光信13-3_

姓 名： 朱家兴_

学 号： _10134425__

任课教师： 张国营

2016年 11月 11 日

量子计算与量子计算机

【摘要】量子计算的强大运算能力使得量子计算机具有广阔的应用前景。该文简要介绍了量子计算的发展现状和基本原理，列举了典型的量子算法，阐明了量子计算机的优越性，最后预测了量子计算及量子计算机的应用方向。

【关键词】量子计算；量子计算机；量子算法；量子信息处理 1.引言

在人类刚刚跨入21世纪的时刻！科技的重大突破之一就是量子计算机的诞生。德国科学家已在实验室研制成功5个量子位的量子计算机，而美国LosAlamos国家实验室正在进行7个量子位的量子计算机的试验【1】。它预示着人类的信息处理技术将会再一次发生巨大的飞跃，而研究面向量子计算机以量子计算为基础的量子信息处理技术已成为一项十分紧迫的任务。2.子计算的物理背景

任何计算装置都是一个物理系统。量子计算机足根据物理系统的量子力学性质和规律执行计算任务的装置【2】。量子计算足以量子计算目L为背景的计算。是在量了力。4个公设（postulate）下做出的代数抽象。Feylllilitn认为，量子足一种既不具有经典耗子性，亦不具有经典渡动性的物理客体（例如光子）。亦有人将量子解释为一种量，它反映了一些物理量（如轨道能级）的取值的离散性。其离散值之问的差值（未必为定值）定义为量子。按照量子力学原理，某些粒子存在若干离散的能量分布。称为能级。而某个物理客体（如电子）在另一个客体（姻原子棱）的离散能级之间跃迁（transition。粒子在不同能量级分布中的能级转移过程）时将会吸收或发出另一种物理客体（如光子），该物理客体所携带的能量的值恰好是发生跃迁的两个能级的差值。这使得物理“客体”和物理“量”之问产生了一个相互沟通和转化的桥梁；爱因斯坦的质能转换关系也提示了物质和能量在一定条件下是可以相互转化的因此。量子的这两种定义方式是对市统并可以相互转化的。量子的某些独特的性质为量了计算的优越性提供了基础。3.量子计算机的特征

量子计算机，首先是能实现量子计算的机器，是以原子量子态为记忆单元、开关电路和信息储存形式，以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通讯与量子计算，是指组成计算机硬件的各种元件达到原子级尺寸，其体积不到现在同类元件的1%。量子计算机是一物理系统，它能存储和处理关于量子力学变量的信息【3】。量子计算机遵从的基本原理是量子力学原理：量子力学变量的分立特性、态迭加原理和量子相干性。信息的量子就是量子位，一位信息不是0就是1，量子力学变量的分立特性使它们可以记录信息：即能存储、写入、读出信息，信息的一个量子位是一个二能级（或二态）系统，所以一个量子位可用一自旋为1/2的粒子来表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0；或者用一光子的两个极化方向来表示0和1；或用一原子的基态代表0第一激发态代表1。就是说在量子计算机中，量子信息是存储在单个的自旋’、光子或原子上的。对光子来说，可以利用Kerr非线性作用来转动一光束使之线性极化，以获取写入、读出；对自旋来说，则是把电子（或核）置于磁场中，通过磁共振技术来获取量子信息的读出、写入；而写入和读出一个原子存储的信息位则是用一激光脉冲照射此原子来完成的。量子计算机使用两个量子寄存器，第一个为输入寄存器，第二个为输出寄存器。函数的演化由幺正演化算符通过量子逻辑门的操作来实现。单量子位算符实现一个量子位的翻转。两量子位算符，其中一个是控制位，它确定在什么情况下目标位才发生改变；另一个是目标位，它确定目标位如何改变；翻转或相位移动。还有多位量子逻辑门，种类很多。要说清楚量子计算，首先看经典计算。经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行交换的机器，其算法由计算机的内部逻辑电路来实现【4】。经典计算机具有如下特点：

a其输入态和输出态都是经典信号，用量子力学的语言来描述，也即是：其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制序列0110110，用量子记号，即10110110>。所有的输入态均相互正交。对经典计算机不可能输入如下叠加Cl10110110>+C2I1001001>。

b经典计算机内部的每一步变换都将正交态演化为正交态，而一般的量子变换没有这个性质，因此，经典计算机中的变换（或计算）只对应一类特殊集。

相应于经典计算机的以上两个限制，量子计算机分别作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统（称为量子比特），量子计算机的变换（即量子计算）包括所有可能的幺正变换。因此量子计算机的特点为：

c量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交；

d量子计算机中的变换为所有可能的幺正变换。得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算结果。由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算的输出结果。这种计算称为量子并行计算，量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作，这是量子计算机的优越性之一。

4.量子智能计算

自Shor算法和Grover算法提出后，越来越多的研究员投身于量子计算方法的计算处理方面，同时智能计算向来是算法研究的热门领域，研究表明，二者的结合可以取得很大的突破，即利用量子并行计算可以很好的弥补智能算法中的某些不足【5】。

目前已有的量子智能计算研究主要包括：量子人工神经网络，量子进化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神经网络算法和量子进化算法已经成为目前学术研究领域的热点，并且取得了相当不错的成绩，下面将以量子进化算法为例。

量子进化算法是进化算法与量子计算的理论结合的产物，该算法利用量子比特的叠加性和相干性，用量子比特标记染色体，使得一个染色体可以携带大数量的信息。同时通过量子门的旋转角度表示染色体的更新操作，提高计算的全局搜索能力。

目前量子进化算法已经应用于许多领域，例如：工程问题、信息系统、神经网络优化等。同时，伴随着量子算法的理论和应用的进一步发展，量子进化算法等量子智能算法有着更大的发展前景和空间。

5.量子计算的应用

1.量子叠加态的计算魅力。在经典物理学中，物质在确定的时刻仅有确定的一个状态。量子力学则不同，物质会同时处于不同的量子态上。因为处于叠加态，这就意味着，量子计算一次运算就可以处理210=1024个数（从0到1023被同时处理一遍）【6】。以此类推，量子计算的速度与量子比特数是2的指数增长关系。一个64位的量子计算机一次运算就可以同时处理264=***709551616个数。如果单次运算速度达到目前民用电脑CPU的级别（1GHz），那么这个64位量子计算机的数据处理速度将是世界上最快的“天河二号”超级计算机（每秒33.86千万亿次）的545万亿倍。

量子力学叠加态赋予了量子计算机真正意义上的“并行计算”，而不像经典计算机一样只能并列更多的CPU来并行。因此在大数据处理技术需求强烈的今天，量子计算机越来越获得互联网巨头们的重视。

2.肖尔算法――RSA加密技术的终结者。1985年，牛津大学的物理学家戴维・德意志提出了量子图灵机模型的概念。随后贝尔实验室的彼得・肖尔于1995年提出了量子计算的第一个解决具体问题的思路，即肖尔因子分解算法。

我们今天在互联网上输入的各种密码，都会用到RSA算法加密。这种技术用一个很大的数的两个质数因子生成密钥，给密码加密，从而安全地传输密码。由于这个数很大，用目前经典计算机的速度算出它的质数因子几乎是不可能的任务。但利用量子计算的并行性，肖尔算法可以在很短的时间内通过遍历算法来获得质数因子，从而破解掉密钥，使RSA加密技术不堪一击。

量子计算机会终结任何依靠计算复杂度的加密技术，但这不意味着从此我们会失去信息安全的保护。量子计算的孪生兄弟――量子通信，会从根本上解决信息传输的安全隐患。

6.量子计算机的应用前景

目前经典的计算机可以进行复杂计算，解决很多难题。但依然存在一些难解问题，它们的计算需要耗费大量的时间和资源，以致在宇宙时间内无法完成【7】。量子计算研究的一个重要方向就是致力于这类问题的量子算法研究。量子计算机首先可用于因子分解。因子分解对于经典计算机而言是难解问题，以至于它成为共钥加密算法的理论基础。按照Shor的量子算法，量子计算机能够以多项式时间完成大数质因子的分解。量子计算机还可用于数据库的搜索。1996年，Grover发现了未加整理数据库搜索的Grover迭代量子算法。使用这种算法，在量子计算机上可以实现对未加整理数据库Ⅳ的平方根量级加速搜索，而且用这种加速搜索有可能解决经典上所谓的NP问题。量子计算机另一个重要的应用是计算机视觉，计算机视觉是一种通过二维图像理解三维世界的结构和特性的人工智能。计算机视觉的一个重要领域是图像处理和模式识别。由于图像包含的数据量很大，以致不得不对图像数据进行压缩。这种压缩必然会损失一部分原始信息 参考文献

1.王书浩，龙桂鲁.大数据与量子计算

2.张毅，卢凯，高颖慧.量子算法与量子衍生算法 3.Deutsch D，Jozsa R.Rapid solution of problems by quanturm computation[C]//Proc Roy Soc London A，1992，439：553-558

4.吴楠，宋方敏。量子计算与量子计算机

5.苏晓琴，郭光灿。量子通信与量子计算。量子电子学报，2004，21（6）：706-718

6.White T.Hadoop： The Defintive Guide，California：O’Reilly Media，Inc.2009：12-14

7.王蕴，黄德才，俞攸红.量子计算及量子算法研究进展.

第三篇：学科前沿讲座

听学科前沿讲座有感

学科前沿是指整个科技体系或学科群中居于主导地位具有带动其它科学发展并影响人们科学观念转变的学科。学科前沿是指某一学科中最能代表该学科发展趋势制约该学科当前发展的关键性科学问题、难题及相应的学说。

在即将毕业之际，即将踏入工作生涯，了解学科前沿是至关重要的。学院在这个时候给我们安排学科前沿讲座，意义是非凡的，我们也应该抓住这次机会认真学习学科前沿知识，为以后的工作生涯和人生打下结实的基础。

因此在听完三位老师的讲座，不禁有感而发，对机械学科的前沿有了更深入的了解。

一、对我国汽车前沿的感悟

中国汽车发展历程

新中国刚一成立就决定发展自己的汽车工业，1953年第一汽车制造厂破土动工，毛泽东主席为奠基仪式亲自题写了“第一汽车制造厂奠基纪念”。1956年我国生产的第一辆汽车下线，毛主席又亲自为其命名———解放，对于当时工业整体水平非常落后的中国人来说，这确实是一次经济上的解放。1956年是中国汽车史上令人难忘的一年。5月，第一汽车制造厂试制成功东风牌轿车，送往北京向党的八大”献礼，这是中国自制的第一部轿车，6月，北京第一汽车厂附件厂试制成功井冈山牌轿车，同时工厂更名为北京汽车制造厂。8月一汽又设计试制成功第一辆红旗牌高级轿车，9月上海汽车配件厂试制成功第一辆凤凰牌轿车。在大跃进的年代，这几辆稚嫩的国产轿车确实让全国人民欢欣鼓舞了一阵子。

六七十年代，除了红旗外，中国惟一大批量生产的轿车就是上海牌轿车。1964年，凤凰牌轿车改名为上海牌，并对制造设备做了一系列改进。首先制成了车身外板成套冲模，结束了车身制造靠手工敲打的落后生产方式，又以此为基础制成各种拼装台，添置点焊机，实现拼装流水线生产，轿车质量得到稳定和提高。1965年上海轿车通过一机部技术鉴定，批准定型。到1979年，上海牌轿车共生产了一万七千多辆，成为我国公务用车和出租车的主要车型。1972年起还对车身进行了改型，并减轻了自重。1980年，该车年产量突破5000辆。1985年，已经开始与德国大众公司合资的上海轿车厂和嘉定县联营另行建厂继续生产上海轿车，并继续做了一些技术改进，一直生产到90年代。在相当长的时间里，上海轿车支撑着国内对轿车的需求，为社会发展做出了贡献。但当时我国的汽车工业是以载货车为主导的，对轿车缺乏应用的重视，这使得我国的轿车工业技术水平长期处于极为幼稚的状态。

改革开放后，我国经济迅速发展，对轿车的需求越来越强，我国落后的轿车工业根本无法满足这种需求。一时间，外国轿车洪水般涌入我国。1984年至1987年，我国进口轿车64万辆，耗资266亿元。为了迅速提高中国轿车生产能力和技术水平，我国汽车工业开始走上与国外汽车企业合作、引进消化外国先进技术的发展道路。具体方式基本都是从进口全部散件组装开始，逐渐提高国产化率。纯种的中国汽车也在不断发展，长城、吉利、奇瑞等车厂已经发展壮大起来，技术也越来越好，反正自己孩子自己养，国人支持，他们肯定能做好。

中国汽车的发展方向

中国车企目前还处于开阔市场阶段，但从长远方向看，提高自身产品才是第一要旨。所以中国汽车业将在逐步占领世界市场的同时，加强品牌建设，提高汽车质量和性能，将中国从一个汽车生产大国向汽车研发大国转变。现代汽车电子化、智能化、多媒体化和网络化的应用，不仅提高了汽车的动力性、经济性、安全和环保性，改善了行驶的稳定性和舒适性，推动了汽车工业的发展，还为电子产品开拓了广阔的市场，从而推动了电子工业的发展。因此，大力发展汽车电子化、智能化、多媒体化和网络化，加快汽车电子化速度，是启动和振兴汽车工业的重要手段。也是中国汽车零部件企业的新的经济增长点。

二、矿用绞车前沿感悟

听完李老师的讲座，我深感到矿山机械设备的落后，据李老师所说，矿山设备要落后一般机械二十年。在那里生产的资源推动着中国的发展，然而却没有人去推动他们的发展。

在这里也深刻体会到我校老师独自走入深山的寂寞，也希望国家和社会给予更多的关注，来回馈矿山，感知矿山。解救那些用生命换来工业粮食的矿山工人们，那些对矿上不离不弃的矿大人

三、中国矿业大学的机械电子的感悟

机电是中国矿业大学起步较早的一门学科，也是社会发展的一门前沿学科，机电控制、机电一体化和机电自动化都是现代制造技术所必须的学科。在之前发展也是我校的强势学科，但由于学校领导的不只是，导至学科人才流失，技术失传，相对其他学校机械电子的大发展，而我校的机电学科有逆水行舟不进则退之势。加上学校对机电学科教学的忽视，导至学生对机电的不了解，在以后工作当中对出现问题不知道如何去解决！在这里我也希望学校和学院领导关注一下机电学科的发展，提高学生的综合素质，拓宽学生的知识面。

小结

中国矿业大学有很大一批老师机械学科前沿，为矿业大学机械学科发展付出了不懈的努力。希望学校领导给予大力支持，支持机电学院的老师，支持矿大的机械学科的发展，支持机械学科的教育工作。让我们更有能力去回馈矿山、感知矿山、去为那些为中国发展提供资源和生命的矿山人，为矿山安全、高效开采奉献知识和生命

第四篇：学科前沿讲座课程报告

中国矿业大学建筑工程学院土木工程专业学科前沿讲座课程报告

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冻胀融沉的分析与防范

（中国矿业大学力学与建筑工程学院 土木10-7班 陈辉 学号：02100498）

摘 要：工程建设是否对周边环境产生负面或不利影响, 是建设者和使用者所关注的问题。针对地铁工程建设中涉及的冻胀融沉,从其产生的机理到影响因素进行了细致的论述和分析,以及分析了冻胀融沉的相关影响因素，从本质上分析了其特点，凭此制定了科学、合理的防范措施,并应用于实践,在施工中取得较好的效果。关键词：冻胀融沉;分析;防范

在地铁建设中, 煤矿冻结法作为一种土体加固方法被广泛应用,但冻结法的冻胀融沉是否对地铁隧道及周围环境产生影响,是建设者和使用者所关注的问题。为此,我们在北方某城市地铁联络通道冻结法施工中,对冻胀融沉的产生机理及影响因素进行了认真、细致的分析,结合工程实际情况,制定了科学、合理的防范措施,取得了较好的效果。冻结法冻胀分析

冻胀是指地铁工程在土体加固过程中,由于冻结管对土体实施冻结作用,使土体中水分结冰而造成其体积膨胀的现象,在实际施工中, 不论对天然冻土区还是人工冻土区,冻胀都是工程建设者所面临的棘手问题。究其原因,主要是由于含水土体在冻结过程中, 一方面土中原位水发生冻结,另一方面是未冻结水向冻结锋面的迁移现象,从而引起土中水分的重新分布和析冰作用。土体的冻胀分为原位冻胀和分凝冻胀,由于原位水分冻结引起的冻胀量相对分凝冻胀来讲十分微小, 因此, 我们本次所研究的土体冻胀主要指由水分迁移引起的分凝冻胀。1.1 冻胀的产生机理

分凝冻胀的产生机理包括土中水分迁移和成冰作用。土体在冻结过程中,一旦土体温度低于土的起始冻结温度, 土中就有部分液态水变成冰,但在土颗粒表面仍有一些作为吸附膜的未冻水存在,在温度梯度引起的负压梯度作用下,来自未冻土的水通过未冻水膜迁入冻土层内。由于未冻水膜的厚度随土温的降低而减薄, 被迁移的水分因迁移受阻而逐渐在某个位置聚集。此时,冻土中的未冻水含量是恒定的, 即在一定负温下, 土颗粒外围具有恒定的平衡水膜厚度。当足够的水分聚集起来时,由于未冻水膜的厚度增大, 未冻水的自由能比冰的自由能高, 原来的热力平衡状态被破坏。在恒定的负温下,土水体系通过多余的未冻水释放自由能分凝成冰,而重新建立平衡状态。随着分凝冰晶便不断积累,土体便产生了冻结膨胀。1.2 冻胀的影响因素

冻结过程中水分迁移和成冰作用是产生土体冻胀的直接因素,它们的强弱主要取决于土体颗粒的土质、土中水分、温度及荷载作用等因素。1.2.1 土颗粒组成对冻胀的影响

土粒表面力场的差异性影响着土冻结过程中水分迁移能力, 并导致冻胀变形各不相同。对于粗颗粒土来说,不存在土的矿物成分对冻胀的影响。在细颗粒土中,尤其是亚粘土、粘土, 这种影响显著地表现出来。在水分、温度及冻结条件大致相似的情况下, 各类土的冻胀性强 中国矿业大学建筑工程学院土木工程专业学科前沿讲座课程报告

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弱大致按下列顺序递减: 粉质土、亚砂土> 亚粘土> 粘土> 砾石土(小于 0.05mm 粒径的含量超过12%)> 粗砂> 砂砾石。1.2.2 土中水对冻胀的影响

试验和工程实践证明,只有土中水分超过一定界限之后才会产生冻胀, 在外界条件相同的情况下, 土体含水量愈高,其冻胀的强度也就愈大。此外, 在没有外界水源补给的封闭系统中,由于水分迁移受到了限制, 冻胀达到一定量时就不再增长,而在有水源补给的开放系统中,只要条件适宜,冻胀就会持续增长。1.2.3 温度对冻胀的影响

首先, 土温降低引起水结晶、冰分凝,引起土体内部液态水向冻结锋面的不断迁移。冻土土温愈低,土体中未冻水含量愈少, 含冰量愈大。其次, 冻土的温度梯度决定着水分迁移量的大小,冻土的温度梯度愈小, 水分迁移量愈大;冻胀量愈大,温度梯度愈大,水分迁移量愈小,冻胀量愈小。

1.2.4 荷载对冻胀的影响

荷载的增加会对土体的冻胀产生抑制作用, 首先,荷载的增加会使得土体的冻结温度降低,要继续维持土体的冻结状态, 则需要更低的冻结温度。其次, 外部压力的作用会引起土体内水分的重分布。若荷载的增加超过冻结锋面所产生的界面能量时,水分则会从高应力区的冻结锋面向低应力区发生反向迁移,使得土体冻胀急剧减少,甚至停止。融沉的分析

2.1 融沉的产生机理

冻结地层温度上升, 冻土发生融化, 冻土中的冰晶融化成水, 土体体积缩小,加上土体原有结构冻胀时形成的裂缝在融化时的闭合, 产生融化沉降;同时冻土在融化过程中未冻水含量随地温的升高而增加, 直至达到相变温度点,冰全部变成孔隙水, 当未冻水含量增加到足以摆脱静电作用时,土体便在重力和上覆荷载的作用下发生排水固结,土颗粒运动, 孔隙度变小而压密,产生固结沉降。融化终结后, 排水固结并不马上结束, 而是继续进行一段时间,直至土体固结沉降达到稳定。冻土融化沉降的沉降量与外压力无关, 而融土固结产生的沉降与冻结过程中形成的土粒结构的稳定性、冰融化成水释放的自由孔隙空间以及上覆荷载的大小有关。通常压密沉降与正压力成正比, 一般冻土的融沉量要大于冻胀量,有时融沉会变为突陷。融沉的不均匀性及突陷往往会导致地表建筑结构的破坏。2.2 融沉的影响因素

影响冻土融沉的主要因素有: 冻土的含水量(包括冻土中的未冻水和孔隙冰)、冷生构造、干容重、上覆荷载等。2.2.1 含水量对融沉的影响

冻土含水量的大小是影响冻土融沉的关键因素, 其含水量包括冻土中的未冻水和孔隙冰两个部分,各部分所占比重的大小视冻土所处的负温而定,体积含冰量较大的富冰冻土融化时常产生突发性下沉变形, 而含冰量较少的贫冰冻土融沉时基本不会产生较大变形。2.2.2 冷生构造对融沉的影响

冻土的融沉与冻土在冻结过程中所形成结构有关,冻土的结构对土的融化沉降及压密沉降有着直接的影响,通常来讲呈整体状构造的冻土, 其产生的融沉一般不大,而冻结时呈层状 中国矿业大学建筑工程学院土木工程专业学科前沿讲座课程报告

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或网状构造的冻土一般在融沉过程中会产生较大的沉降变形。2.2.3 干容重对融沉的影响

干容重对冻土融沉的影响是从另一面体现了冻土中含水量的融沉的影响, 冻土中含水量小时, 干密度相对较大,土体中孔隙体积较少,这样的冻土在融沉过程

中不会产生较大的沉降变形;而在冻土含水量较大的情况下,冻土的干密度较小, 土体中孔隙体积相对较大, 该类冻土则在荷载的作用下会产生较大的沉降压缩变形。2.2.4 荷载对融沉的影响

荷载对融沉的影响主要体现在融土的固结过程, 随着冻土中冰的融化,融土中含水量会逐渐增大, 形成超静孔隙水压力,试验表明, 融土在较大的荷载作用下, 孔隙水压力会加速消散,随着融土中孔隙水的排出, 孔隙的压密,融土将产生较大的压缩沉降。地铁人工冻结土体冻胀融沉的特点

从以上的分析中可以看出,不论是人工冻土还是天然冻土,其冻胀融沉的产生机理及影响因素都是相同的。但就人工冻土来讲, 它除具有天然冻土的特征外,还具有其自身的一些特点,主要表现在:(1)人工冻结土体所处地层多为淤泥质土或粘土地层等,一般含水丰富,在这样的地层环境下, 易产生较大的冻胀和融沉变形。

(2)冻结过程中,人工冻结器表面温度通常低于-20 ,负温梯度随着冻结壁的扩展由大变小, 冻结速度由快变慢, 冻结时间相对较短;在冻结土体融化过程中,周边的土体温度相对较低,温度梯度较小, 但在其相邻范围的正温土体的作用下,冻土温度会快速升高, 在此相变过程中,由于冻结土体要吸收大量的热量, 而周边正温土体传导热量的能力有限,使得冻结土体全部融化要经历相对较长的时间。

(3)人工冻结土体具有三维冻融的特征, 在冻结过程中冻结锋面的扩展垂直于冻结管轴线方向, 冰晶分布平行于冻结管轴线方向;在冻土融化过程中, 热量是由周围土体或结构向冻土内部扩散,冻土从周边边界开始融化。此外,人工冻结土体的冻融过程中水分的聚集和消散同样具有明显的三维特征。

(4)人工冻结壁作为临时支撑结构一般要承受一定的荷载作用, 在冻结过程中荷载通常对土体的冻胀具有一定的限制和约束作用,而在融沉过程中, 由于受荷载作用的影响, 融土中的孔隙水会迅速排出, 土体逐渐被压实、压密。制定防范措施

我们此次施工范围内土层主要为第四系全新中统相层粉土、淤泥质粉质粘土和第四系上更新统三组相层粉质粘土,其土层土质松软、结构松散、孔隙比较大, 含水丰富、承载力低、容易压缩和在动力作用下易流变、土体内聚力小等特点, 在我们经过对冻结土体冻涨融沉产生的机理和影响因素充分分析及研究的基础上,参照以往联络通道冻结法施工经验,考虑到施工中将可能面临或出现的各种问题, 有针对性的提出了以下技术控制要点:(1)为防止冻结土体的冻胀融沉给隧道及地面带来不利影响,在联络通道实施土体冻结前期, 根据冻结管的布置, 及时在冻结帷幕内对称设置数个压力释放观测孔,冻结开始后根据检测数据及时进行泄压以防冻胀,保证联络通道开挖及结构施工质量;开挖后,及时在结构 中国矿业大学建筑工程学院土木工程专业学科前沿讲座课程报告

第 4 页 的外层临时支护(钢格栅)背板后用水泥砂浆充填密实,利用隧道或联络通道内的注浆跟踪注浆加以补强,以补偿土层融沉,控制地表变形。

(2)由于混凝土和钢管片相对于土层更易散热, 并且会影响隧道管片附近土体的冻结质量,从而影响冻土整体稳定性和封土性。为此,我们考虑在冷冻区域隧道管片上铺设保温层,在其对面隧道管片加设冷冻板等保温措施,切断由于温度变化,而出现外界水源补给的现象,以消除冻土帷幕可能存在影响安全的薄弱环节。

(3)加强冻结过程检测, 在冻土帷幕内布置测温孔,以便正确测定冻土帷幕厚度和判断冻土帷幕是否交圈,并配合压力释放观测孔进行检测, 在冻胀达到一定压力时,及时泄压,减少对周围土体及隧道的影响。

(4)在冻结、开挖两侧隧道内均增设环向预应力支撑,以防打开联络通道留口管片时, 隧道产生过大变形,而导致结构破坏。

(5)在冻结过程中, 加强积极、维护冻结的质量控制,使帷幕形成整体状冻结土体, 消除后期冷生构造对融沉产生的不利影响。

(6)由于冻土的蠕变形很强,如遇冻土帷幕有明显变形,温度明显回升, 立即用预制格栅加背板支撑,必要时调整开挖构筑工艺,并同时加强冻结,防止融沉过大,对周围环境产生不利影响。

(7)由于联络通道的开挖和支护层施工时间较冻土帷幕的化冻时间短,根据矿山井筒冻结经验, 由于偶然停冻对开挖安全不会产生大的影响。但是, 为了提高施工安全性,应选用可靠的冻结施工设备。

(8)在联络通道集水井部分施工时, 一般应割除其内冻结管,在此期间将结束人工冻结,因此, 必须合理安排、保证连续施工, 尽量减少温度对其影响,同时, 加强停冻时的冻工帷幕监测,以便及时采取相关措施。

(9)由于人工冻结土体具有三维冻融的特征, 因此,在联络通道砼衬砌结构中, 分别在结构顶面、四周侧面等处设置注浆孔,预埋注浆管,在施工后期, 采用注浆方式以补偿解冻后出现的结构与冻结土体间的孔隙, 消除融沉可能造成的变形,注浆应配合冻土帷幕融化过程进行, 开始可注粘土水泥浆。

(10)在整个施工及解冻过程中, 严密监测隧道变形,特别是在解冻初期15d 内, 做好跟踪补偿注浆工作,当监测数据出现异常,应及时在变形较大部位周围或对应面进行注浆,确保隧道等安全。实践经验

2005 年1月11日~ 2005年6月11日, 我们在北方某城市地铁联络通道Ⅰ区间、Ⅱ区间进行了两个联络通道(含集水井)的冻结法施工,由于联络通道上方10m左右为该城市主干道,施工期间,交通正常运行,冻结前后上部荷载不会有较大变化, 在采取上述措施的同时,除加强监测外,未考虑荷载影响,鉴于联络通道所处位置上方分布有较多的建筑物等, 因此, 我们在地面、房屋、管线布置了 50个监测点,在隧道内布置了162个监测点,从冻结钻孔开始至施工结束后70d 左右进行了地面变形、隧道内沉降、水平、收敛等监测,以检查联络通道在冻结前期、施工过程及后期,冻胀融沉是否给隧道及周围环境带来不利影响,我们从隧道内162个监测点中, 选取24个点的数据。从冻结开始至解冻胀融沉的监测数据看, 冻结 中国矿业大学建筑工程学院土木工程专业学科前沿讲座课程报告

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周围的土体发生或多或少的变形,其中隧道内监测值均控制在-10~ 10 mm 以内,另从地面监测的数据看,地面沉降值均控制在-30~ 10 mm 以内,冻涨基本发生在冻结期, 其中波动主要在冻结30d 以后,融沉发生在解冻后,解冻周期一般为1~ 2个月,在此期间, 变形波动缓慢、平稳,因此,在施工中严格按照科学、合理的施工方案进行施工与控制,冻胀、融沉不会对地铁隧道产生不利或负面影响。

参考文献

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第五篇：学科前沿讲座读书报告

学科前沿讲座读书报告 注浆技术的应用与发展

学院（部）： 土木建筑学院 专 业： 岩土工程 学生姓名： 黄道良 学 号： 2010200440

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