自动化学科前沿知识专题讲座报告

第一篇：自动化学科前沿知识专题讲座报告

自动化学院《学科前沿知识专题讲座》听课报告

Wwlblk 通过对这门学科一学期的学习和认知，使我对自动化这个专业的一些问题有了更深的了解，让我对这个专业的学习有了明确的方向和目标。但更多的是让我知道自动化这门学科要做的事还很多，需待解决的问题还很多。特别是我国现在一些领域跟国外发达国家相比，还存在一定的距离。

自动化这门学科覆盖面广，层次跨度大。我们学校研究生阶段主要涉及到控制理论与控制工程、模式识别与智能系统、检测技术与自动化装置、计量测试、控制工程等几个方向。这几个方向就涉及到了工业、军事、航天、日常生活等等方面。在这十次讲座中就涉及到工业、军事、航天、日常生活这些方面。讲座中也讲到了很多控制方法、控制方式、控制技术。例如非线性控制，鲁棒控制，最优化控制，遥感，gps导航，卫星定位系统定位原理，还有副院长讲的检测方面的技术。老师在讲这些知识的时候，都结合现实情况，对最近最新的自动化方面的科研情况，科研进展，科研成果做了大概的介绍。然后分析我国现在在这些领域的发展情况，跟国外的发展情况作一个清晰，明了的对比。让我们知道了现在读研的的方向，确立了自己的目标，激发了我们对这门学科学习的兴趣。综合自己的兴趣爱好，优势做出一个明智的选择。

在这门课上院长与我们讨论过这样一个问题：研究生开设这门课是否合适？感觉这门课给本科生开设是毋庸置疑的合适。作为本科生对自动化这门学科了解的不深，对自动化深层次的东西接触很少，弄不明白学自动化到底要学什么，学什么对自己最有价值。但作为研究生经历了本科学习，应该能清楚知道为什么学习自动化，到底自动化是在做什么。我觉得现在科技日益更新，每一年，每一天都在变。开设这样的课让我们坐在教室里就能知道世界的自动化方面的发展情况，最新资讯。掌握最新科技动态这是一件很好的事，同时也能促进大家的学习信心和学习激情，何乐而不为呢？

第二篇：学科前沿知识讲座总结

学科前沿知识讲座总结

大学期间，尤其是在一年级和二年级期间我聆听了十几次学科前沿知识讲座，有关于网络的、嵌入式的，也有关于创新的、管理的，还有关于IT公司的历史发展、研究领域以及优秀成果的。在这些学科前沿知识讲座中，我受益颇丰，不仅学到了很多相关知识，也在学习之路上找到了方向，更使我在以后的学业和职业发展道路上少走弯路。每次听完讲座之后，我都感到学海无涯我辈需努力。下面我着重谈谈我对其中几个印象比较深的讲座的感受。

第一个印象比较深的讲座是网络存储系统知识系统基础知识讲座，是由张冬老师主讲的。那时候我还是刚入学的大一新生，对专业知识还没有太多的了解。第一次在大学里听讲座，我想这对于我来说总是有用的。果然，这次的讲座让我看到了网络的巨大力量，他居然能将那么多的信息简简单单的存储在那么小的一个叫做“硬盘”的东西上，然后通过网线互相传输给不同的人。我记得很清楚当时张冬老师讲了关于硬盘里的数据是如何被读取的，也是在那次讲座上我从一个对网络知识一无所知的人变成了一个对网络知识学习十分热忱的人。我感受到了网络的巨大魅力，也确定了我将要在这条路上走下去。

第二个印象比较深的讲座是侯铁珊教授的关于次贷危机的讲座。讲座是在图书馆的报告厅举行的，我记得当时人特别多，大家都很关注次贷危机这个话题。另一方面，侯教授也是我们学校里比较有名的人物，他是我国经济学界著名专家。侯教授从管理学的发展作为切入点，从思辨哲学革命的独特视角，通过大量鲜明生动的案例，历数国内外管理观念创新沿革，上溯中国五千年文化精粹，将中西方管理思维相互借鉴与融合，以宇宙学的广度、哲学的深度阐述原理、诠释真谛。演讲风格深入浅出，生动幽默，发人深思，引起了广大听众的强烈共鸣。侯教授这次的演讲意味深长，言语之间不时透着对我们这一代年轻人的期待，他期待我们用自己的青春和热情让祖国真正繁荣昌盛。

第三个给我深刻印象的讲座是王众托院士的对创新能力培养的一些思考的讲座。2010年7月7日下午，我们在图书馆报告厅迎来了全国著名系统科学与管理科学专家王众托院士。王院士的讲座主要针对我国当前发展面临的问题、创新的含义与对人才的要求、创新对知识和能力的全面理解、目前高校教育无法满足创新要求以及从学习和思维方式上看创新、如何努力提高创新素质等问题上展开深入细致的剖析。创新是一个民族进步的灵魂。王众托院士虽然年事已高，但依然为关心并出力于社会发展事业。我还依然清晰地记得王老送给我们的那句话“海到尽头天作岸，山登绝顶我为峰”。这句话激励着我们要敢于拥有世界责任感和独立开拓、勇于奉献的创新精神。

时代在召唤，我们这一代人既面对着激烈的社会竞争也担负着推动社会经济、技术体系改变的责任，我们没有理由不去肩负这个责任让祖国真正的繁荣和强大。

第三篇：学科前沿学习报告

学科前沿学习报告

土木工程学院 工程力学101班 xx 学号:2010110121xx

力学是人类认识自然的重要手段，当人类还不会说话的时候就已经在应用力学了。这个世界小到分子大到宇宙都充斥着各种各样的力，当今社会的尖端科技更是离不开力学。

我们从海洋流发电VIV驱动的水动力学问题说起。在传统能源供应日趋紧张，地球环境日益恶化的今天，开发清洁无污染的可再生能源是大势所趋。海洋能是众多可再生能源中的一种，其能量蕴藏丰富，形式多种多样，如潮汐能、波浪能、海流能、温差能等。海洋波浪能是现今世界各国海洋能开发研究的热点与重点，英国、挪威、日本、美国等都在进行波浪能发电装置的试验与示范工作。

涡激振动(vortex-induced vibration,简称VIV)是工程中常见的重要现象。在来流作用下,结构的尾迹中旋涡以一定频率交替脱落,产生周期振荡的升力,导致结构以一定的频率和振幅振动。在一定流速下,旋涡脱落频率接近结构固有频率时,结构会发生共振造成破坏。涡激共振的预报和抑制对工程结构稳定和安全有重要意义。VIV中结构与尾迹相互作用,是个非常复杂的问题。流动具有很强的非线性特征结构的运动使尾迹流动性态与非振动结构的尾迹大不相同。这种流场变化和流固耦合作用的复杂性及规律,目前主要依靠实验研究获得,而通过DNS方法精细刻画这些过程则因为受计算量等的限制遇到很多困难,现有的大部分研究成果局限于中低Re数情况,很难满足实际工程需求。

计算力学的发展与展望。计算力学是计算机科学、计算数学与力学学科相结合的产物。随着计算机软硬件技术的快速发展,计算力学也得到了迅速发展,成为力学工作者和工程技术人员解决自然科学和工程实践中力学问题的重要手段。数值计算方法最早成员应为有限差分法有限差分法从数学的角度用差分代替微分,将力学中的微分方程转化为代数方程,从而大大拓宽了力学学科的应用范围;有限元法的问世促进了计算力学的发展。有限元法建立了计算模型、离散方法、数值求解和计算机程序实现的统一方法,通过变分原理将原问题的泛函转化成代数方程进行求解;20世纪70年代初出现了边界元法,对于分析某些工程实际问题,边界元法具有其突出的优点。上述三种方法被称为计算力学的三大支柱。除此之外,计算力学还包含了其它一些重要分支,如加权残数法、有限元线法,半解析半数值法等。目前,计算力学的主要研究方向集中在如何建立高效的、有足够精度的计算手段上,特别是解决如何建立这些计算手段的共性问题。在计算力学的发展过程中,从结构的离散化方法、单元列式、控制方程求解、计算结果自动处理到收敛理论都可以建立成为不依赖于结构类型和几何形状的统一方式。计算模型的建立、计算方法的构造和计算软件的开发是计算力学研究中的共性问题。

计算力学的发展方向。计算机科学、计算数学和力学学科的发展推动了计算力学的发展,在新的世纪,计算力学将会在如下领域得到更大的发展。1宏细微观材料本构模型；2复杂运动系统的自动控制；3计算力学软件系统的研究；4复杂系统的计算机仿真。

高性能计算与高性能计算机。

高性能计算概述，高性能计算(HPC)指通常使用很多处理器（作为单个机器的一部分）或者某一集群中组织的几台计算机（作为单个计 算资源操作）的计算系统和环境。有许多类型的HPC 系统，其范围从标准计算机的大型集群，到高度专用的硬件。大多数基于集群的HPC系统使用高性能网络互连，比如那些来自 InfiniBand 或 Myrinet 的网络互连。基本的网络拓扑和组织可以使用一个简单的总线拓扑，在性能很高的环境中，网状网络系统在主机之间提供较短的潜伏期，所以可改善总体网络性能和传输速率。

高性能计算机指能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速运算的电脑，其基本组成组件与个人电脑的概念无太大差异，但规格与性能则强大许多，是一种超大型电子计算机。具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒一兆（万亿，非百万）次以上。高性能计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是一个国家科研实力的体现，它对国家安全，经济和社会发展具有举足轻重的意义。是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。

颗粒增强复合材料损伤演化VCFEM模拟方法。

随着科学和技术的发展,复合材料因其良好的力学特性,在航空、汽车、军事、核能和电子等一些重要的工业领域得到了越来越广泛的应用。在颗粒增强复合材料中,异相材料的加入可以改善材料性能,但同时又导致了材料断裂特性和疲劳特性的下降。这正反两方面作用的产生均依赖于夹杂、空洞以及裂纹等微结构的大小、形状、材料特性以及它们的空间分布。如何能正确分析和模拟受微结构影响的复合材料力学性能,一直是力学和材料学科领域的前沿课题之一,对现代工业的发展具有重要的意义。

基于浸入边界法的流固耦合理论及其工程应用。

对于复杂流场、流固耦合和运动边界问题，浸入边界法因其具有良好的发展前景，成为新的研究热点.浸入边界法(Immersed Boundary Method)，既是一种数学建模方法，又是一种数值离散方法。在数学方法上，它是采用欧拉变量去描述流体的动态，利用拉格朗日变量描述结构的运动边界，用光滑Delta近似函数通过分布节点力和插值速度来表示流场和结构物的交互作用。它整个流场计算都使用笛卡尔网格，而不是按照物体形状生成复杂的贴体网格，无需处理从物理平面到计算平面的坐标和网格转换问题，因而可以大大提高计算效率而且节省了网格生成所需的时间。尤其对于动态边界问题，它无需在每一时间步长上实时更新网格，详见图1。浸入边界法在模拟血液流动、湍流的直接数值模拟、多相流动等方面取得成功，模拟结果和实验数据非常吻合，是目前计算流体力学领域研究的热点。尽管拥有巨大的发展前景，但目前浸入边界法的应用尚未完全成熟。未来的研究重点将会集中在以下两个方面：

第一，进一步研究浸入边界法的理论机理。寻找最佳的时间离散法，解决时间步长的限制，提高浸入边界法的计算精度，发展能解决高雷诺数和三维复杂流体问题的浸入边界法，浸入边界法与并行计算技术的结合,论证浸入边界法的收敛性和稳定性和判断算法的误差等仍是未来理论研究的主要方向。

第二，解决浸入边界法在实际工程应用的问题。目前，浸入边界法能解决的科研问题和工程问题还是相当少的。将浸入边界法直接模拟各种实际流动,解决工业生产和工程项目提出的各种问题，是未来研究的热门课题。

浸入边界法的研究方兴未艾，随着人们对浸入边界法重视和了解的加深，其在非定常计算中不需产生贴体网格的巨大优势正在被发挥，在科研和工程应用具有广阔的应用前景。

复杂岩体精细数值模拟理论及工程应用。岩体由结构面和结构体组成，其结构特性是岩体力学行为、变形和破坏形式的主要控制因素。现今可用于对岩体工程结构进行力学分析的数值方法多种多样，每一种方法有其针对性和特点，对一个具体的问题用数值模拟方法进行分析时，应选择一种最适合该问题的方法进行研究。自20世纪70年代以来，数值模拟方法作为一种科学有效而又快速简便的分析方法，被逐步引人到交通、水工、采矿、建筑等地下工程的力学分析、稳定性评价、方案比较等工作中。

现代材料实验及其发展。

人类社会发展和进步的历史就是一部发明材料、制造材料和使用材料的历史,正是形形色色的材料构成了丰富多彩的世间万物,材料是人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、构件、机器及其它产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。随着现代科学技术的飞速发展,新材料的不断涌现,把各类材料分别作为独立学科或从属于某一学科进行研究的方法已不能满足当今高科技发展的需求,必须综合考虑材料的合成制备和加工技术,并且结合组织结构和性质的现代分析测试技术和方法,才能满足新材料的研制和应用的需要。现代科学技术的发展,促使新材料的研究日益向微观层次深入,材料的结构从宏观到微观、介观,按研究的层次,包含了宏观组织结构、显微组织结构、原子或分子排列结构、原子中的电子结构等。

现代材料实验的主要技术，根据各种功能的设备一般可分为下列三个独立的子系统。1，机械——动力加载系统；2，传感器系统；3控制采集分析系统。随着计算机的广泛应用，利用计算机建立的材料性能数据库可以直接给出各种材料的有关性能，利用计算力学的有限单元分析整体的应力，应变场。结合材料试验，它们将携手一起向前发展。

通过对学科前沿课程的学习，使我深刻地认识到，力学在整个人类社会的发展中充当着十分重要的角色。人类的明天将在力学的土壤上开出美丽的花朵！

第四篇：学科前沿

过程装备与控制工程专业主要以过程工业为专业背景。过程工业是指以流程性物料（如气体、液体、粉体等）为主要对象，以改变物料的状态和性质为主要目的的工业，它包括化工、石油化工、生物化工、化学、炼油、制药、食品、冶金、环保、能源、动力等诸多行业与部门。过程工业所涉及的一些物理、化学过程，主要有传质过程、传热过程、流动过程、反应过程、机械过程、热力学过程等。正是这些物理、化学过程，构成了过程工业的生产过程。然而，要使这些过程得到实现，达到工业生产的目的，必需要有相应的过程设备。

过程装备与控制工程的主要研究内容包括：过程装备设计与制造，高效节能装备的开发，成套装置的开发与设计，成套工程，设备结构及强度理论，过程安全理论、技术与装备，流程参数控制理论与技术，制冷技术与装备，粉体理论与技术等。

“过程装备与控制工程专业”的前身是“化工机械专业”。我们的前辈呕心沥血，把我国的化工机械专业办得初具规模、培养了一大批化工机械专业教学、科研、设计、制造与使用的中坚力量。随着全球现代化的需要和发展，在化工机械里面逐渐应用到了越来越多的自动控制。因此，为了符合我国现代化发展需要，顺应科技时代的潮流，1998年3月教育部应上届教学指导委员会的建议将专业改名为过程装备与控制工程。从此，一个更加具有发展潜力的新专业诞生了。20多年来，我国先后在60多个高校开设了这一个专业，使得该专业得到了很大的发展。

什么是过程装备？了解了过程装备与控制工程的历史后我们不难以知道，它也和化工机械一样，分为两大类：①化工机器。指主要作用部件为运动的机械，如各种过滤机，破碎机，离心分离机、旋转窑、搅拌机等。②化工设备。指主要作用部件是静止的或者只有很少运动的机械，如各种容器（槽、罐、釜等）、普通窑、塔器、反应器、换热器、普通干燥器、蒸发器，反应炉、电解槽、结晶设备、传质设备、吸附设备、流态化设备、普通分离设备以及等离子交换设备等。化工机械的划分是不严格的，一些流体输送机械（如泵、风机和压缩机等）

控制工程

指对过程装备和及其系统的状态和工况进行监测，控制，以确保生产工艺有序稳定运行，提高过程装备的可靠度和功能可利用度。控制工程是结合现代自动化技术，是现代自动化先进技术与化工机械相结合的，提高了设备的效率

本专业培养具备机械热加工基础知识与应用能力，能在工业生产第一线从事热加工领域内的设计制造、试验研究、运行管理和经营销售等方面工作的高级工程技术人才。

业务培养要求

本专业学生主要学习材料科学及各类热加工工艺的基础理论与技术和有关设备的设计方法，受到现代机械工程师的基本训练，具有从事各类热加工工艺及设备设计、生产组织管理的基本能力。

毕业生应获得以下几方面的知识和能力：

1．具有较扎实的自然科学基础，较好的人文、艺术和社会科学基础及正确运用本国语言、文字的表达能力；

2．较系统地掌握本专业领域宽广的技术理论基础知识，主要包括力学、机械学、电工与电子技术、加热工艺基础、自动化基础、市场经济及企业管理等基础知识；

3．具有本专业必需的制图、计算、测试、文献检索和基本工艺操作等基本技能及较强的计算机和外语应用能力；

4．具有本专业领域内某个专业方向所必需的专业知识，了解科学前沿及发展趋势；

5．具有较强的自学能力、创新意识和较高的综合素质。

主干学科

机械工程、材料科学与工程。

主要课程

工程力学、机械原理及机械零件、电工与电子技术、热加工工艺基础、热加工工艺设备及设计、检测技术及控制工程、CAD/CAM基础。

主要实践性教学环节

包括军训，金工、电工、电子实习，认识实习，生产实习，社会实践，课程设计，毕业设计(论文)等，一般应安排40周以上。

修业年限

四年

授予学位

工学学士

本学科是机械大学科的一个分支，它自己是属于机械领域，同时又服务于过程工业，自身的发展又需要机电控制。所谓过程工业，是指通过化学和物理的方法以达到改变物料性能的加工业，它涵盖了化学、化工、石油化工、食品、制药，甚至于冶金等众多行业部门。过程工业所涉及的对象是流程性物料，从原料到产品需经过复杂的工艺过程，因而整个过程需要由为数众多的单元构成。而每一个单元均需要由能实现这一功能的设备来完成，将这些单元设备连在一起便构成过程装备。动力工程及工程热物

理学科是研究能量以热、功及其他相关的形式在转化、传递过程中的基本规律，以及按此规律有效地实现这些过程的设备及系统的应用科学及应用基础科学。动力工程及工程热物理学科在整个国民经济和工程技术领域内起着支持和促进的作用，在工学门类中占有不可替代的地位。在长期发展的过程中，它不断升华和扩展，容纳了物理学的多个分支及近代进展，应用了数学、力学、机械工程、仪器科学、材料科学、电子技术、控制科学等学科的理论、方法和已有成果，形成自身独立的理论体系和实践范畴，为国民经济的可持续发展提供了良好的基础和前提。它不断在冶金、电子、交通运输、船舶与海洋工程、航空宇航工程、土木工程、水利工程、化学工程、矿业工程、农业工程、兵工科学、核科学、环境科学和生物医学工程等各个学科获得越来越广泛的应用。

化学工程基础学科主要研究化工、石油化工、炼油与天然气加工、轻工、核电与火电、冶金、环境工程、食品及制药等过程工业中处理气、液和粉体等流程性材料必需的设备与技术。例如，过程工业中的传热设备及节能技术的研究；化工单元传质设备和相分离设备研究；化工过程用泵、压缩机等流体机械的研究与监控；压力容器及管道的设计、制造和安全保障的技术研究；过程设备的腐蚀、损伤与延寿技术的研究；非金属材料成型加工技术与设备的研究，等等。本学科是一个专业面广，为国民经济多个行业服务的、涵盖多种学科的交叉型二级学科。流体力学、热力学、粉体力学、燃烧学、传热学、传质学等工程热物理和化工过程原理的科学基础为本学科的重要理论基础。

二级学科——过程装备与控制工程，是在化工机械专业基础上发展起来的，后相继并入炼油机械、轻工与食品机械，又增加了生物化工、精细化工和核电工业等方面的内容，使学科的内涵和深度有了很大的发展。过程装备与控制工程专业主要以过程工业为专业背景。过程工业是指以流程性物料（如气体、液体、粉体等）为主要对象，以改变物料的状态和性质为主要目的的工业，它包括化工、石油化工、生物化工、化学、炼油、制药、食品、冶金、环保、能源、动力等诸多行业与部门。过程工业所涉及的一些物理、化学过程，主要有传质过程、传热过程、流动过程、反应过程、机械过程、热力学过程等。正是这些物理、化学过程，构成了过程工业的生产过程。然而，要使这些过程得到实现，达到工业生产的目的，必需要有相应的过程设备。

过程装备与控制工程的主要研究内容包括：过程装备设计与制造，高效节能装备的开发，成套装置的开发与设计，成套工程，设备结构及强度理论，过程安全理论、技术与装备，流程参数控制理论与技术，制冷技术与装备，粉体理论与技术等。

过程装备与控制工程专业的应用领域非常广泛，例如化工、石油化工、能源、轻工、制药、制冷、动力、环保、生物、食品、机械、劳动安全，等等。

化工机械是搞关于化工设备方面的设计，安装，制造都可以就业的，就业面很广的，很好找工作，这么说把，只要有化工设备的地方我们都可以去工作的，在大学里面把专业知识多学一点，专业英语也很重要，尤其值得说的是，在这一行是越老越值钱，起点是要熬，起码要三年，拿到中级职称就好了，刚开始毕业一个月都是基本上是1000多点，在哪儿都差不多，我有同学在石油系统的，就是奖金比我们在外面的高一些，基本工资都差不多的，要是进国企业，主要是进中石化，中石油，中海油的企业，还有中石化，中石油，中化工的一些化建企业，主要是搞化工安装，化建企业好一点的有中石化南京二建，三建（好象在珠海），五建（兰州），四建（天津），进石油系统只要是进几个大一点的油田，比如大庆油田（黑龙江大庆），大港油田（天津），现在中石化在新疆独山子开了一个很大的石化企业-独山子石化，专门从哈撒克斯坦进油，有很大的发展前途（据说是除了老婆，什么都发），要是搞设计，主要是在江，浙一带，比如，江苏的无锡，有一个区都是搞压力容器的，常州，苏州的张家港，上海金山区是一个石化区，还有浙江的一些地方，说了这么多主要就是告诉大家，过程装备与控制工程专业（以前叫做化工机械）是很好找工作的一个专业，当初我也不知道什么东东，在大学里面混过来了，没有好好学一点东西，建议大家把握大学的时间，少玩一点，把CAD（这个是吃饭的家伙）要学得很好，还有专业的知识，课程设计，毕业设计最好是自己做，能够学到不少的东西，对以后在这行工作很有用的，即使抄别人的也最好是搞清楚怎么来的，英语，最好过4级水平，当然没过也照样找工作，只是待遇比人家过4级的要少，毕竟全国有这个专业的学校不多，也就80几所吧

第五篇：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

[1] 笱松平,等.天津地铁1号线下瓦房—— 白楼旁通道冻结帷幕的设计与施工重点分析[J] ．煤炭工程, 2006, 3: 41-43 [2] 李智毅, 杨裕云.工程地质学概论[M].武汉:中国地质大学出版社, 1994.[3](前)苏联工程地质.(前)苏联欧洲地区[M] ．莫斯科: 能源出版社, 1992.[4] 袁聚云,徐超, 赵春风,等.土工实验与原位测试[M].上海:同济大学出版社, 2004.[5] 周幼吾,郭东信,邱国庆,等.中国冻土[M].北京:科学出版社, 2000.[6] 朱林楠.冻土工程地质勘测中的热稳定性评价方法[A].青藏冻土研究论文集[C].北京: 科学出版社.1982.179592.[11] Anisimov O A , Nels on F E.Permafrost distribution in the NorthernHemisphere under scenarios of climate change[J ].G lobal and Plane2tary Change , 1996 , 14 : 59-72.5