第一篇：汽車學科前沿講座報告

本周的學科前沿講座使我們又回顧了不就前剛剛學過的汽車構造這么學科，讓我又有了新的收獲和理解。汽車學科前沿講座報告

汽車的發展史

卡爾·弗里特立奇·本茨（Karl Friedrich Benz，1844年11月25日－1929年4月4日），德國著名的戴姆勒－奔馳汽車公司的創始人之一，現代汽車工業的先驅者之一，人稱“汽車之父”、“汽車鼻祖”。

1890-1920 馬車過渡到汽車，金屬車身出現 1885年，德國工程師卡爾?本茨制成了世界上第一輛三輪車，并于1886年1月29日申請并獲得了發明專利，所以，1886年1月29日被認為汽車的誕生日。幾乎同時，,德國工程師戈特利布·戴姆勒也成功研制成一輛公認的以內燃機為動力的四輪汽車.1894年奔馳velo是最早的量產汽車.進入20世紀以后，汽車不再僅是歐洲人的天下了，特別是亨利.福特(HeneryFord)在1908年10月開始出售著名的“T”型車時，這種車產量增長驚人，短短19年，就生氣1500輛。此間的1913年福特汽車公司還首次推出了流水裝配線的大量作業方式，使汽車成本大跌，汽車價格低廉，不再僅僅是貴族和有錢人的豪華奢侈品了，它開始逐漸成為大眾化的商品。也是此時開始，美國汽車便成為世界寵兒，福特公司也因此成為名副其實的汽車王國。所以，人們說，汽車發明于歐洲，但獲得大發展那是在本世紀初30年代的美國。福特采用流水作業生產汽車，在汽車發展史上樹起了第三塊里程碑。

汽車基本知識

汽車一般由發動機、底盤、車身和電氣設備等四個基本部分組成.發動機：是一種由許多機構和系統組成的復雜機器。無論是汽油機，還是柴油機；無論是四行程發動機，還是二行程發動機；無論是單缸發動機，還是多缸發動機。要完成能量轉換，實現工作循環，保證長時間連續正常工作，都必須具備以下一些機構和系統。

汽車底盤構造 : 底盤： 底盤作用是支承、安裝汽車發動機及其各部件、總成，形成汽車的整體造型，并接受發動機的動力，使汽車產生運動，保證 正常行駛。底盤由 傳動系、行駛系、轉向系和制動系 四部分組成

汽車車身：是指汽車的外殼,內飾,坐椅等.汽車電器設備電氣設備： 汽車電氣設備主要由蓄電池、發電機、調節器、起動機、點火系、儀表、照明裝置、音響裝置、雨刷器等組成。

發動機的基本知識

汽車發動機主要結構是機體，其他構件都是安裝在機體上。主要由曲柄連桿機構，配氣機構，燃油供給系統，潤滑系統，冷卻系統，汽油機有點火系統，以及電子控制系統等。

汽油發動機（Gasoline Engine），是以汽油作為燃料的發動機。由于汽油粘性小，蒸發快，可以用汽油噴射系統將汽油噴入氣缸，經過壓縮達到一定的溫度和壓力后，用火花塞點燃，使氣體膨脹做功。汽油機的特點是轉速高，結構簡單，質量輕，造價低廉，運轉平穩，使用維修方便。汽油機在汽車上，特別是小型汽車上大量使用，至今不衰。

柴油發動機的優點是功率大、經濟性能好。柴油發動機的工作過程與汽油發動機有許多相同的地方，每個工作循環也經歷進氣、壓縮、做功、排氣四個行程。但由于柴油機用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸發，而其自燃溫度卻較汽油低，因此可燃混合氣的形成及點火方式都與汽油機不同。

汽車前沿技術

汽車的電子化、智能化、網絡化是現代汽車發展的重要標志，隨著消費者對汽車功能和性能要求的日益提高，汽車正在逐漸由機械系統向電子系統轉換，目前全球汽車電子產業面臨著高速增長的機遇。在國外，電子系統已占到一輛普通轎車總成本的30%，在高級轎車上比例更高，在國內，中高級轎車電子裝置的配置已經接近或達到了國外汽車工業發達國家水平。但我國汽車電子業總體上還與國外有很大差距，需要加大研究投入的力度。汽車電子技術經過兩個階段的發展，現正處在第三個階段。第一階段的汽車電子設備主要采用分立電子元件組成電子控制器，并開始由分立電子元件產品向集成電路產品過渡；第二階段則主要采用集成電路和8位微處理器開發汽車專用的獨立控制系統；第三階段開始于20世紀90年代，汽車電子設備廣泛采用16位或32位微處理器進行控制，控制技術向智能化、網絡化方向發展。在該階段出現了很多新的技術研究領域和研究熱點。

線控技術DBW

汽車的各種操縱系統正向電子化、自動化方向發展，在未來的5～10年里，傳統的汽車機械操縱系統將變成通過高速容錯通信總線與高性能CPU相連的電氣系統。如汽車將采用電氣馬達和電控信號來實現線控駕駛、線控制動、線控油門和線控懸架等，采用這些線控系統將完全取代現有系統中的液壓和機械控制。

CAN總線網絡

隨著電控單元在汽車中的應用越來越多，車載電子設備間的數據通信變得越來越重要，以分布式控制系統為基礎構造汽車車載電子網絡系統是很有必要的。大量數據的快速交換、高可靠性及廉價性是對汽車電子網絡系統的要求。在該網絡系統中，各處理機獨立運行，控制改善汽車某一方面的性能，同時在其它處理機需要時提供數據服務。汽車內部網絡的構成主要依靠總線傳輸技術。汽車總線傳輸是通過某種通訊協議將汽車中各種電控單元、智能傳感器、智能儀表等聯接起來，從而構成的汽車內部網絡。其優點有：減少了線束的數量和線束的容積，提高了電子系統的可靠性和可維護性；采用通用傳感器，達到數據共享的目的；改善了系統的靈活性，即通過系統的軟件可以實現系統功能的變化。CAN總線是德國博世公司在20世紀80年代初開發的一種串行數據通訊協議。它的短幀數據結構、非破壞性總線仲裁技術以及靈活的通訊方式，使CAN總線具有很高的可靠性和抗干擾性，滿足了汽車對總線的實時性和可靠性的要求。

機自

07-9班

王淼03071213

第二篇：學科前沿講座

學科前沿講座

專業班級： 光信13-3_

姓 名： 朱家興_

學 號： _10134425__

任課教師： 張國營

2016年 11月 11 日

量子計算與量子計算機

【摘要】量子計算的強大運算能力使得量子計算機具有廣闊的應用前景。該文簡要介紹了量子計算的發展現狀和基本原理，列舉了典型的量子算法，闡明了量子計算機的優越性，最后預測了量子計算及量子計算機的應用方向。

【關鍵詞】量子計算；量子計算機；量子算法；量子信息處理 1.引言

在人類剛剛跨入21世紀的時刻！科技的重大突破之一就是量子計算機的誕生。德國科學家已在實驗室研制成功5個量子位的量子計算機，而美國LosAlamos國家實驗室正在進行7個量子位的量子計算機的試驗【1】。它預示著人類的信息處理技術將會再一次發生巨大的飛躍，而研究面向量子計算機以量子計算為基礎的量子信息處理技術已成為一項十分緊迫的任務。2.子計算的物理背景

任何計算裝置都是一個物理系統。量子計算機足根據物理系統的量子力學性質和規律執行計算任務的裝置【2】。量子計算足以量子計算目L為背景的計算。是在量了力。4個公設（postulate）下做出的代數抽象。Feylllilitn認為，量子足一種既不具有經典耗子性，亦不具有經典渡動性的物理客體（例如光子）。亦有人將量子解釋為一種量，它反映了一些物理量（如軌道能級）的取值的離散性。其離散值之問的差值（未必為定值）定義為量子。按照量子力學原理，某些粒子存在若干離散的能量分布。稱為能級。而某個物理客體（如電子）在另一個客體（姻原子棱）的離散能級之間躍遷（transition。粒子在不同能量級分布中的能級轉移過程）時將會吸收或發出另一種物理客體（如光子），該物理客體所攜帶的能量的值恰好是發生躍遷的兩個能級的差值。這使得物理“客體”和物理“量”之問產生了一個相互溝通和轉化的橋梁；愛因斯坦的質能轉換關系也提示了物質和能量在一定條件下是可以相互轉化的因此。量子的這兩種定義方式是對市統并可以相互轉化的。量子的某些獨特的性質為量了計算的優越性提供了基礎。3.量子計算機的特征

量子計算機，首先是能實現量子計算的機器，是以原子量子態為記憶單元、開關電路和信息儲存形式，以量子動力學演化為信息傳遞與加工基礎的量子通訊與量子計算，是指組成計算機硬件的各種元件達到原子級尺寸，其體積不到現在同類元件的1%。量子計算機是一物理系統，它能存儲和處理關于量子力學變量的信息【3】。量子計算機遵從的基本原理是量子力學原理：量子力學變量的分立特性、態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，量子力學變量的分立特性使它們可以記錄信息：即能存儲、寫入、讀出信息，信息的一個量子位是一個二能級（或二態）系統，所以一個量子位可用一自旋為1/2的粒子來表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0；或者用一光子的兩個極化方向來表示0和1；或用一原子的基態代表0第一激發態代表1。就是說在量子計算機中，量子信息是存儲在單個的自旋’、光子或原子上的。對光子來說，可以利用Kerr非線性作用來轉動一光束使之線性極化，以獲取寫入、讀出；對自旋來說，則是把電子（或核）置于磁場中，通過磁共振技術來獲取量子信息的讀出、寫入；而寫入和讀出一個原子存儲的信息位則是用一激光脈沖照射此原子來完成的。量子計算機使用兩個量子寄存器，第一個為輸入寄存器，第二個為輸出寄存器。函數的演化由幺正演化算符通過量子邏輯門的操作來實現。單量子位算符實現一個量子位的翻轉。兩量子位算符，其中一個是控制位，它確定在什么情況下目標位才發生改變；另一個是目標位，它確定目標位如何改變；翻轉或相位移動。還有多位量子邏輯門，種類很多。要說清楚量子計算，首先看經典計算。經典計算機從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進行交換的機器，其算法由計算機的內部邏輯電路來實現【4】。經典計算機具有如下特點：

a其輸入態和輸出態都是經典信號，用量子力學的語言來描述，也即是：其輸入態和輸出態都是某一力學量的本征態。如輸入二進制序列0110110，用量子記號，即10110110>。所有的輸入態均相互正交。對經典計算機不可能輸入如下疊加Cl10110110>+C2I1001001>。

b經典計算機內部的每一步變換都將正交態演化為正交態，而一般的量子變換沒有這個性質，因此，經典計算機中的變換（或計算）只對應一類特殊集。

相應于經典計算機的以上兩個限制，量子計算機分別作了推廣。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統來描述，如二能級系統（稱為量子比特），量子計算機的變換（即量子計算）包括所有可能的幺正變換。因此量子計算機的特點為：

c量子計算機的輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交；

d量子計算機中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態之后，量子計算機對輸出態進行一定的測量，給出計算結果。由此可見，量子計算對經典計算作了極大的擴充，經典計算是一類特殊的量子計算。量子計算最本質的特征為量子疊加性和相干性。量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當于一種經典計算，所有這些經典計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算的輸出結果。這種計算稱為量子并行計算，量子并行處理大大提高了量子計算機的效率，使得其可以完成經典計算機無法完成的工作，這是量子計算機的優越性之一。

4.量子智能計算

自Shor算法和Grover算法提出后，越來越多的研究員投身于量子計算方法的計算處理方面，同時智能計算向來是算法研究的熱門領域，研究表明，二者的結合可以取得很大的突破，即利用量子并行計算可以很好的彌補智能算法中的某些不足【5】。

目前已有的量子智能計算研究主要包括：量子人工神經網絡，量子進化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神經網絡算法和量子進化算法已經成為目前學術研究領域的熱點，并且取得了相當不錯的成績，下面將以量子進化算法為例。

量子進化算法是進化算法與量子計算的理論結合的產物，該算法利用量子比特的疊加性和相干性，用量子比特標記染色體，使得一個染色體可以攜帶大數量的信息。同時通過量子門的旋轉角度表示染色體的更新操作，提高計算的全局搜索能力。

目前量子進化算法已經應用于許多領域，例如：工程問題、信息系統、神經網絡優化等。同時，伴隨著量子算法的理論和應用的進一步發展，量子進化算法等量子智能算法有著更大的發展前景和空間。

5.量子計算的應用

1.量子疊加態的計算魅力。在經典物理學中，物質在確定的時刻僅有確定的一個狀態。量子力學則不同，物質會同時處于不同的量子態上。因為處于疊加態，這就意味著，量子計算一次運算就可以處理210=1024個數（從0到1023被同時處理一遍）【6】。以此類推，量子計算的速度與量子比特數是2的指數增長關系。一個64位的量子計算機一次運算就可以同時處理264=***709551616個數。如果單次運算速度達到目前民用電腦CPU的級別（1GHz），那么這個64位量子計算機的數據處理速度將是世界上最快的“天河二號”超級計算機（每秒33.86千萬億次）的545萬億倍。

量子力學疊加態賦予了量子計算機真正意義上的“并行計算”，而不像經典計算機一樣只能并列更多的CPU來并行。因此在大數據處理技術需求強烈的今天，量子計算機越來越獲得互聯網巨頭們的重視。

2.肖爾算法――RSA加密技術的終結者。1985年，牛津大學的物理學家戴維?德意志提出了量子圖靈機模型的概念。隨后貝爾實驗室的彼得?肖爾于1995年提出了量子計算的第一個解決具體問題的思路，即肖爾因子分解算法。

我們今天在互聯網上輸入的各種密碼，都會用到RSA算法加密。這種技術用一個很大的數的兩個質數因子生成密鑰，給密碼加密，從而安全地傳輸密碼。由于這個數很大，用目前經典計算機的速度算出它的質數因子幾乎是不可能的任務。但利用量子計算的并行性，肖爾算法可以在很短的時間內通過遍歷算法來獲得質數因子，從而破解掉密鑰，使RSA加密技術不堪一擊。

量子計算機會終結任何依靠計算復雜度的加密技術，但這不意味著從此我們會失去信息安全的保護。量子計算的孿生兄弟――量子通信，會從根本上解決信息傳輸的安全隱患。

6.量子計算機的應用前景

目前經典的計算機可以進行復雜計算，解決很多難題。但依然存在一些難解問題，它們的計算需要耗費大量的時間和資源，以致在宇宙時間內無法完成【7】。量子計算研究的一個重要方向就是致力于這類問題的量子算法研究。量子計算機首先可用于因子分解。因子分解對于經典計算機而言是難解問題，以至于它成為共鑰加密算法的理論基礎。按照Shor的量子算法，量子計算機能夠以多項式時間完成大數質因子的分解。量子計算機還可用于數據庫的搜索。1996年，Grover發現了未加整理數據庫搜索的Grover迭代量子算法。使用這種算法，在量子計算機上可以實現對未加整理數據庫Ⅳ的平方根量級加速搜索，而且用這種加速搜索有可能解決經典上所謂的NP問題。量子計算機另一個重要的應用是計算機視覺，計算機視覺是一種通過二維圖像理解三維世界的結構和特性的人工智能。計算機視覺的一個重要領域是圖像處理和模式識別。由于圖像包含的數據量很大，以致不得不對圖像數據進行壓縮。這種壓縮必然會損失一部分原始信息 參考文獻

1.王書浩，龍桂魯.大數據與量子計算

2.張毅，盧凱，高穎慧.量子算法與量子衍生算法 3.Deutsch D，Jozsa R.Rapid solution of problems by quanturm computation[C]//Proc Roy Soc London A，1992，439：553-558

4.吳楠，宋方敏。量子計算與量子計算機

5.蘇曉琴，郭光燦。量子通信與量子計算。量子電子學報，2004，21（6）：706-718

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

7.王蘊，黃德才，俞攸紅.量子計算及量子算法研究進展.

第三篇：學科前沿講座

聽學科前沿講座有感

學科前沿是指整個科技體系或學科群中居于主導地位具有帶動其它科學發展并影響人們科學觀念轉變的學科。學科前沿是指某一學科中最能代表該學科發展趨勢制約該學科當前發展的關鍵性科學問題、難題及相應的學說。

在即將畢業之際，即將踏入工作生涯，了解學科前沿是至關重要的。學院在這個時候給我們安排學科前沿講座，意義是非凡的，我們也應該抓住這次機會認真學習學科前沿知識，為以后的工作生涯和人生打下結實的基礎。

因此在聽完三位老師的講座，不禁有感而發，對機械學科的前沿有了更深入的了解。

一、對我國汽車前沿的感悟

中國汽車發展歷程

新中國剛一成立就決定發展自己的汽車工業，1953年第一汽車制造廠破土動工，毛澤東主席為奠基儀式親自題寫了“第一汽車制造廠奠基紀念”。1956年我國生產的第一輛汽車下線，毛主席又親自為其命名———解放，對于當時工業整體水平非常落后的中國人來說，這確實是一次經濟上的解放。1956年是中國汽車史上令人難忘的一年。5月，第一汽車制造廠試制成功東風牌轎車，送往北京向黨的八大”獻禮，這是中國自制的第一部轎車，6月，北京第一汽車廠附件廠試制成功井岡山牌轎車，同時工廠更名為北京汽車制造廠。8月一汽又設計試制成功第一輛紅旗牌高級轎車，9月上海汽車配件廠試制成功第一輛鳳凰牌轎車。在大躍進的年代，這幾輛稚嫩的國產轎車確實讓全國人民歡欣鼓舞了一陣子。

六七十年代，除了紅旗外，中國惟一大批量生產的轎車就是上海牌轎車。1964年，鳳凰牌轎車改名為上海牌，并對制造設備做了一系列改進。首先制成了車身外板成套沖模，結束了車身制造靠手工敲打的落后生產方式，又以此為基礎制成各種拼裝臺，添置點焊機，實現拼裝流水線生產，轎車質量得到穩定和提高。1965年上海轎車通過一機部技術鑒定，批準定型。到1979年，上海牌轎車共生產了一萬七千多輛，成為我國公務用車和出租車的主要車型。1972年起還對車身進行了改型，并減輕了自重。1980年，該車年產量突破5000輛。1985年，已經開始與德國大眾公司合資的上海轎車廠和嘉定縣聯營另行建廠繼續生產上海轎車，并繼續做了一些技術改進，一直生產到90年代。在相當長的時間里，上海轎車支撐著國內對轎車的需求，為社會發展做出了貢獻。但當時我國的汽車工業是以載貨車為主導的，對轎車缺乏應用的重視，這使得我國的轎車工業技術水平長期處于極為幼稚的狀態。

改革開放后，我國經濟迅速發展，對轎車的需求越來越強，我國落后的轎車工業根本無法滿足這種需求。一時間，外國轎車洪水般涌入我國。1984年至1987年，我國進口轎車64萬輛，耗資266億元。為了迅速提高中國轎車生產能力和技術水平，我國汽車工業開始走上與國外汽車企業合作、引進消化外國先進技術的發展道路。具體方式基本都是從進口全部散件組裝開始，逐漸提高國產化率。純種的中國汽車也在不斷發展，長城、吉利、奇瑞等車廠已經發展壯大起來，技術也越來越好，反正自己孩子自己養，國人支持，他們肯定能做好。

中國汽車的發展方向

中國車企目前還處于開闊市場階段，但從長遠方向看，提高自身產品才是第一要旨。所以中國汽車業將在逐步占領世界市場的同時，加強品牌建設，提高汽車質量和性能，將中國從一個汽車生產大國向汽車研發大國轉變。現代汽車電子化、智能化、多媒體化和網絡化的應用，不僅提高了汽車的動力性、經濟性、安全和環保性，改善了行駛的穩定性和舒適性，推動了汽車工業的發展，還為電子產品開拓了廣闊的市場，從而推動了電子工業的發展。因此，大力發展汽車電子化、智能化、多媒體化和網絡化，加快汽車電子化速度，是啟動和振興汽車工業的重要手段。也是中國汽車零部件企業的新的經濟增長點。

二、礦用絞車前沿感悟

聽完李老師的講座，我深感到礦山機械設備的落后，據李老師所說，礦山設備要落后一般機械二十年。在那里生產的資源推動著中國的發展，然而卻沒有人去推動他們的發展。

在這里也深刻體會到我校老師獨自走入深山的寂寞，也希望國家和社會給予更多的關注，來回饋礦山，感知礦山。解救那些用生命換來工業糧食的礦山工人們，那些對礦上不離不棄的礦大人

三、中國礦業大學的機械電子的感悟

機電是中國礦業大學起步較早的一門學科，也是社會發展的一門前沿學科，機電控制、機電一體化和機電自動化都是現代制造技術所必須的學科。在之前發展也是我校的強勢學科，但由于學校領導的不只是，導至學科人才流失，技術失傳，相對其他學校機械電子的大發展，而我校的機電學科有逆水行舟不進則退之勢。加上學校對機電學科教學的忽視，導至學生對機電的不了解，在以后工作當中對出現問題不知道如何去解決！在這里我也希望學校和學院領導關注一下機電學科的發展，提高學生的綜合素質，拓寬學生的知識面。

小結

中國礦業大學有很大一批老師機械學科前沿，為礦業大學機械學科發展付出了不懈的努力。希望學校領導給予大力支持，支持機電學院的老師，支持礦大的機械學科的發展，支持機械學科的教育工作。讓我們更有能力去回饋礦山、感知礦山、去為那些為中國發展提供資源和生命的礦山人，為礦山安全、高效開采奉獻知識和生命

第四篇：學科前沿講座課程報告

中國礦業大學建筑工程學院土木工程專業學科前沿講座課程報告

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凍脹融沉的分析與防范

（中國礦業大學力學與建筑工程學院 土木10-7班 陳輝 學號：02100498）

摘 要：工程建設是否對周邊環境產生負面或不利影響, 是建設者和使用者所關注的問題。針對地鐵工程建設中涉及的凍脹融沉,從其產生的機理到影響因素進行了細致的論述和分析,以及分析了凍脹融沉的相關影響因素，從本質上分析了其特點，憑此制定了科學、合理的防范措施,并應用于實踐,在施工中取得較好的效果。關鍵詞：凍脹融沉;分析;防范

在地鐵建設中, 煤礦凍結法作為一種土體加固方法被廣泛應用,但凍結法的凍脹融沉是否對地鐵隧道及周圍環境產生影響,是建設者和使用者所關注的問題。為此,我們在北方某城市地鐵聯絡通道凍結法施工中,對凍脹融沉的產生機理及影響因素進行了認真、細致的分析,結合工程實際情況,制定了科學、合理的防范措施,取得了較好的效果。凍結法凍脹分析

凍脹是指地鐵工程在土體加固過程中,由于凍結管對土體實施凍結作用,使土體中水分結冰而造成其體積膨脹的現象,在實際施工中, 不論對天然凍土區還是人工凍土區,凍脹都是工程建設者所面臨的棘手問題。究其原因,主要是由于含水土體在凍結過程中, 一方面土中原位水發生凍結,另一方面是未凍結水向凍結鋒面的遷移現象,從而引起土中水分的重新分布和析冰作用。土體的凍脹分為原位凍脹和分凝凍脹,由于原位水分凍結引起的凍脹量相對分凝凍脹來講十分微小, 因此, 我們本次所研究的土體凍脹主要指由水分遷移引起的分凝凍脹。1.1 凍脹的產生機理

分凝凍脹的產生機理包括土中水分遷移和成冰作用。土體在凍結過程中,一旦土體溫度低于土的起始凍結溫度, 土中就有部分液態水變成冰,但在土顆粒表面仍有一些作為吸附膜的未凍水存在,在溫度梯度引起的負壓梯度作用下,來自未凍土的水通過未凍水膜遷入凍土層內。由于未凍水膜的厚度隨土溫的降低而減薄, 被遷移的水分因遷移受阻而逐漸在某個位置聚集。此時,凍土中的未凍水含量是恒定的, 即在一定負溫下, 土顆粒外圍具有恒定的平衡水膜厚度。當足夠的水分聚集起來時,由于未凍水膜的厚度增大, 未凍水的自由能比冰的自由能高, 原來的熱力平衡狀態被破壞。在恒定的負溫下,土水體系通過多余的未凍水釋放自由能分凝成冰,而重新建立平衡狀態。隨著分凝冰晶便不斷積累,土體便產生了凍結膨脹。1.2 凍脹的影響因素

凍結過程中水分遷移和成冰作用是產生土體凍脹的直接因素,它們的強弱主要取決于土體顆粒的土質、土中水分、溫度及荷載作用等因素。1.2.1 土顆粒組成對凍脹的影響

土粒表面力場的差異性影響著土凍結過程中水分遷移能力, 并導致凍脹變形各不相同。對于粗顆粒土來說,不存在土的礦物成分對凍脹的影響。在細顆粒土中,尤其是亞粘土、粘土, 這種影響顯著地表現出來。在水分、溫度及凍結條件大致相似的情況下, 各類土的凍脹性強 中國礦業大學建筑工程學院土木工程專業學科前沿講座課程報告

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弱大致按下列順序遞減: 粉質土、亞砂土> 亞粘土> 粘土> 礫石土(小于 0.05mm 粒徑的含量超過12%)> 粗砂> 砂礫石。1.2.2 土中水對凍脹的影響

試驗和工程實踐證明,只有土中水分超過一定界限之后才會產生凍脹, 在外界條件相同的情況下, 土體含水量愈高,其凍脹的強度也就愈大。此外, 在沒有外界水源補給的封閉系統中,由于水分遷移受到了限制, 凍脹達到一定量時就不再增長,而在有水源補給的開放系統中,只要條件適宜,凍脹就會持續增長。1.2.3 溫度對凍脹的影響

首先, 土溫降低引起水結晶、冰分凝,引起土體內部液態水向凍結鋒面的不斷遷移。凍土土溫愈低,土體中未凍水含量愈少, 含冰量愈大。其次, 凍土的溫度梯度決定著水分遷移量的大小,凍土的溫度梯度愈小, 水分遷移量愈大;凍脹量愈大,溫度梯度愈大,水分遷移量愈小,凍脹量愈小。

1.2.4 荷載對凍脹的影響

荷載的增加會對土體的凍脹產生抑制作用, 首先,荷載的增加會使得土體的凍結溫度降低,要繼續維持土體的凍結狀態, 則需要更低的凍結溫度。其次, 外部壓力的作用會引起土體內水分的重分布。若荷載的增加超過凍結鋒面所產生的界面能量時,水分則會從高應力區的凍結鋒面向低應力區發生反向遷移,使得土體凍脹急劇減少,甚至停止。融沉的分析

2.1 融沉的產生機理

凍結地層溫度上升, 凍土發生融化, 凍土中的冰晶融化成水, 土體體積縮小,加上土體原有結構凍脹時形成的裂縫在融化時的閉合, 產生融化沉降;同時凍土在融化過程中未凍水含量隨地溫的升高而增加, 直至達到相變溫度點,冰全部變成孔隙水, 當未凍水含量增加到足以擺脫靜電作用時,土體便在重力和上覆荷載的作用下發生排水固結,土顆粒運動, 孔隙度變小而壓密,產生固結沉降。融化終結后, 排水固結并不馬上結束, 而是繼續進行一段時間,直至土體固結沉降達到穩定。凍土融化沉降的沉降量與外壓力無關, 而融土固結產生的沉降與凍結過程中形成的土粒結構的穩定性、冰融化成水釋放的自由孔隙空間以及上覆荷載的大小有關。通常壓密沉降與正壓力成正比, 一般凍土的融沉量要大于凍脹量,有時融沉會變為突陷。融沉的不均勻性及突陷往往會導致地表建筑結構的破壞。2.2 融沉的影響因素

影響凍土融沉的主要因素有: 凍土的含水量(包括凍土中的未凍水和孔隙冰)、冷生構造、干容重、上覆荷載等。2.2.1 含水量對融沉的影響

凍土含水量的大小是影響凍土融沉的關鍵因素, 其含水量包括凍土中的未凍水和孔隙冰兩個部分,各部分所占比重的大小視凍土所處的負溫而定,體積含冰量較大的富冰凍土融化時常產生突發性下沉變形, 而含冰量較少的貧冰凍土融沉時基本不會產生較大變形。2.2.2 冷生構造對融沉的影響

凍土的融沉與凍土在凍結過程中所形成結構有關,凍土的結構對土的融化沉降及壓密沉降有著直接的影響,通常來講呈整體狀構造的凍土, 其產生的融沉一般不大,而凍結時呈層狀 中國礦業大學建筑工程學院土木工程專業學科前沿講座課程報告

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或網狀構造的凍土一般在融沉過程中會產生較大的沉降變形。2.2.3 干容重對融沉的影響

干容重對凍土融沉的影響是從另一面體現了凍土中含水量的融沉的影響, 凍土中含水量小時, 干密度相對較大,土體中孔隙體積較少,這樣的凍土在融沉過程

中不會產生較大的沉降變形;而在凍土含水量較大的情況下,凍土的干密度較小, 土體中孔隙體積相對較大, 該類凍土則在荷載的作用下會產生較大的沉降壓縮變形。2.2.4 荷載對融沉的影響

荷載對融沉的影響主要體現在融土的固結過程, 隨著凍土中冰的融化,融土中含水量會逐漸增大, 形成超靜孔隙水壓力,試驗表明, 融土在較大的荷載作用下, 孔隙水壓力會加速消散,隨著融土中孔隙水的排出, 孔隙的壓密,融土將產生較大的壓縮沉降。地鐵人工凍結土體凍脹融沉的特點

從以上的分析中可以看出,不論是人工凍土還是天然凍土,其凍脹融沉的產生機理及影響因素都是相同的。但就人工凍土來講, 它除具有天然凍土的特征外,還具有其自身的一些特點,主要表現在:(1)人工凍結土體所處地層多為淤泥質土或粘土地層等,一般含水豐富,在這樣的地層環境下, 易產生較大的凍脹和融沉變形。

(2)凍結過程中,人工凍結器表面溫度通常低于-20 ,負溫梯度隨著凍結壁的擴展由大變小, 凍結速度由快變慢, 凍結時間相對較短;在凍結土體融化過程中,周邊的土體溫度相對較低,溫度梯度較小, 但在其相鄰范圍的正溫土體的作用下,凍土溫度會快速升高, 在此相變過程中,由于凍結土體要吸收大量的熱量, 而周邊正溫土體傳導熱量的能力有限,使得凍結土體全部融化要經歷相對較長的時間。

(3)人工凍結土體具有三維凍融的特征, 在凍結過程中凍結鋒面的擴展垂直于凍結管軸線方向, 冰晶分布平行于凍結管軸線方向;在凍土融化過程中, 熱量是由周圍土體或結構向凍土內部擴散,凍土從周邊邊界開始融化。此外,人工凍結土體的凍融過程中水分的聚集和消散同樣具有明顯的三維特征。

(4)人工凍結壁作為臨時支撐結構一般要承受一定的荷載作用, 在凍結過程中荷載通常對土體的凍脹具有一定的限制和約束作用,而在融沉過程中, 由于受荷載作用的影響, 融土中的孔隙水會迅速排出, 土體逐漸被壓實、壓密。制定防范措施

我們此次施工范圍內土層主要為第四系全新中統相層粉土、淤泥質粉質粘土和第四系上更新統三組相層粉質粘土,其土層土質松軟、結構松散、孔隙比較大, 含水豐富、承載力低、容易壓縮和在動力作用下易流變、土體內聚力小等特點, 在我們經過對凍結土體凍漲融沉產生的機理和影響因素充分分析及研究的基礎上,參照以往聯絡通道凍結法施工經驗,考慮到施工中將可能面臨或出現的各種問題, 有針對性的提出了以下技術控制要點:(1)為防止凍結土體的凍脹融沉給隧道及地面帶來不利影響,在聯絡通道實施土體凍結前期, 根據凍結管的布置, 及時在凍結帷幕內對稱設置數個壓力釋放觀測孔,凍結開始后根據檢測數據及時進行泄壓以防凍脹,保證聯絡通道開挖及結構施工質量;開挖后,及時在結構 中國礦業大學建筑工程學院土木工程專業學科前沿講座課程報告

第 4 頁 的外層臨時支護(鋼格柵)背板后用水泥砂漿充填密實,利用隧道或聯絡通道內的注漿跟蹤注漿加以補強,以補償土層融沉,控制地表變形。

(2)由于混凝土和鋼管片相對于土層更易散熱, 并且會影響隧道管片附近土體的凍結質量,從而影響凍土整體穩定性和封土性。為此,我們考慮在冷凍區域隧道管片上鋪設保溫層,在其對面隧道管片加設冷凍板等保溫措施,切斷由于溫度變化,而出現外界水源補給的現象,以消除凍土帷幕可能存在影響安全的薄弱環節。

(3)加強凍結過程檢測, 在凍土帷幕內布置測溫孔,以便正確測定凍土帷幕厚度和判斷凍土帷幕是否交圈,并配合壓力釋放觀測孔進行檢測, 在凍脹達到一定壓力時,及時泄壓,減少對周圍土體及隧道的影響。

(4)在凍結、開挖兩側隧道內均增設環向預應力支撐,以防打開聯絡通道留口管片時, 隧道產生過大變形,而導致結構破壞。

(5)在凍結過程中, 加強積極、維護凍結的質量控制,使帷幕形成整體狀凍結土體, 消除后期冷生構造對融沉產生的不利影響。

(6)由于凍土的蠕變形很強,如遇凍土帷幕有明顯變形,溫度明顯回升, 立即用預制格柵加背板支撐,必要時調整開挖構筑工藝,并同時加強凍結,防止融沉過大,對周圍環境產生不利影響。

(7)由于聯絡通道的開挖和支護層施工時間較凍土帷幕的化凍時間短,根據礦山井筒凍結經驗, 由于偶然停凍對開挖安全不會產生大的影響。但是, 為了提高施工安全性,應選用可靠的凍結施工設備。

(8)在聯絡通道集水井部分施工時, 一般應割除其內凍結管,在此期間將結束人工凍結,因此, 必須合理安排、保證連續施工, 盡量減少溫度對其影響,同時, 加強停凍時的凍工帷幕監測,以便及時采取相關措施。

(9)由于人工凍結土體具有三維凍融的特征, 因此,在聯絡通道砼襯砌結構中, 分別在結構頂面、四周側面等處設置注漿孔,預埋注漿管,在施工后期, 采用注漿方式以補償解凍后出現的結構與凍結土體間的孔隙, 消除融沉可能造成的變形,注漿應配合凍土帷幕融化過程進行, 開始可注粘土水泥漿。

(10)在整個施工及解凍過程中, 嚴密監測隧道變形,特別是在解凍初期15d 內, 做好跟蹤補償注漿工作,當監測數據出現異常,應及時在變形較大部位周圍或對應面進行注漿,確保隧道等安全。實踐經驗

2005 年1月11日~ 2005年6月11日, 我們在北方某城市地鐵聯絡通道Ⅰ區間、Ⅱ區間進行了兩個聯絡通道(含集水井)的凍結法施工,由于聯絡通道上方10m左右為該城市主干道,施工期間,交通正常運行,凍結前后上部荷載不會有較大變化, 在采取上述措施的同時,除加強監測外,未考慮荷載影響,鑒于聯絡通道所處位置上方分布有較多的建筑物等, 因此, 我們在地面、房屋、管線布置了 50個監測點,在隧道內布置了162個監測點,從凍結鉆孔開始至施工結束后70d 左右進行了地面變形、隧道內沉降、水平、收斂等監測,以檢查聯絡通道在凍結前期、施工過程及后期,凍脹融沉是否給隧道及周圍環境帶來不利影響,我們從隧道內162個監測點中, 選取24個點的數據。從凍結開始至解凍脹融沉的監測數據看, 凍結 中國礦業大學建筑工程學院土木工程專業學科前沿講座課程報告

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周圍的土體發生或多或少的變形,其中隧道內監測值均控制在-10~ 10 mm 以內,另從地面監測的數據看,地面沉降值均控制在-30~ 10 mm 以內,凍漲基本發生在凍結期, 其中波動主要在凍結30d 以后,融沉發生在解凍后,解凍周期一般為1~ 2個月,在此期間, 變形波動緩慢、平穩,因此,在施工中嚴格按照科學、合理的施工方案進行施工與控制,凍脹、融沉不會對地鐵隧道產生不利或負面影響。

參考文獻

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第五篇：學科前沿講座讀書報告

學科前沿講座讀書報告 注漿技術的應用與發展

學院（部）： 土木建筑學院 專 業： 巖土工程 學生姓名： 黃道良 學 號： 2010200440

2011

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