城市热岛环境中土体温度场、强度和变形的数值模拟与图像分析

【摘要】随着城市化进程的加快,世界各地大城市的热岛效应及其带来的环境问题日益突出。城市热岛环境会引起土体温度和湿度的变化,同时也带来土体的强度变化和变形开裂。土体强度的变化会直接影响到土工结构的安全,而土体变形则会影响到各类地基的稳定性。论文以野外观测和室内试验研究为基础,应用数理计算理论,建立了相应的数值模型,模拟和定量分析了城市热岛环境中土体工程性质的变化和灾害效应,取得了如下成果：（1）在南京市城区和郊区两个观测站监测数据的基础上,分析了城区和郊区的温度和湿度在时间和空间上差异变化,得到了南京城区年平均热岛强度为2.020C,年平均干岛强度为-7.2%的结论。（2）提出了一个简化的基于地表气温高值和低值的地温场预测模型,并将其用于南京市城区混凝土及郊区裸土路面地下温度场的模拟,模拟结果与实测地温具有很高的一致性：讨论了模拟温度和实测温度的差异和原因；综合湿度数据,分析得出了地下土体温度和湿度场主要受城市热岛环境,地表类型和降雨入渗共同影响的结论。（3）通过一系列的试验,研究了不同密度和含水量的下蜀土试样的抗剪强度受温度影响的规律。结果表明,下蜀土在低含水量和低密度下表现为热固结,而在高含水量或高密度下表现为热软化。应用实测数据,模拟了夏季高温天气下某边坡温度场的变化,并结合试验所得抗剪强度-温度关系,计算其安全系数,分析了热岛环境对土工结构稳定性的影响。另一方面,建立了考虑温度和湿度变化的挡土墙压力模型。模拟分析表明,在城市热岛环境中,由于土体温度场上升,而土体湿度突变较大,会对土工结构安全造成不利影响。（4）根据土裂隙的特征和相应模拟需求,研究和改进了离散元法,推导了紧密堆积离散元模型的弹性性质和破坏模式。应用推导的转换公式,即可在计算机内构建具有和实际材料相似弹性性质和破坏模式的离散元模型,进而模拟裂隙的形成和发展。在理论研究基础上,开发了离散元程序MatDEM,并对裂隙发展过程中的应力状态、能量变化和一些现象进行了模拟和分析。结合试验研究,提出了应用离散元法进行土裂隙多场耦合模拟的模型。（5）为了定量研究温度对土裂隙几何形态的影响,基于数字图像处理技术,提出了一套土体裂隙图像自动识别和定量化方法。裂隙图像的定量化总体分三个步骤：二值化和去杂修复,裂隙识别和几何参数测量,并包含一系列的图像处理方法。在此基础上,开发了相应软件“裂隙图像分析系统”（CrackImageAnalysisSystem（CIAS））。通过该系统,可自动识别定量分析裂隙图像,获得裂隙长度、宽度、方向,块区面积和周长,裂隙网络的节点个数、裂隙条数、表面裂缝率和分形维数等参数,大大减轻了裂缝测量和统计的工作量,提高了工作效率和精确度。最后,应用此程序定量分析了温度对土体裂隙最终形态的影响。结果表明,土裂隙的几何参数,如裂隙率,宽度等受温度的影响明显。（6）城市热岛环境对土体工程性质的影响常常被人所忽视,论文的研究成果表明,城市热岛环境对土体工程性质以及土工结构的稳定性有一定的影响,论文中的研究结论和方法,为进一步定量研究城市热岛环境中土体工程性质的变化和灾害效应提供了理论依据和新的途径。本项研究由国家自然科学基金重点项目（40730739）、教育部博士研究生学术新人奖、江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目（CX09B011Z）联合资助
【作者】刘春；
【导师】施斌；
【作者基本信息】南京大学，地质工程，2012，博士
【关键词】城市热岛；温度场；土体强度；土体变形；数值模拟；图像分析；

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