多年凍土區(qū)氣冷路基長期熱穩(wěn)定性研究.pdf

1、由于全球氣候轉(zhuǎn)暖和人類工程活動日益加劇，多年凍土退化加快，這使多年凍土區(qū)的工程建設(shè)更加困難。在多年凍土區(qū)為了確保道路的長期穩(wěn)定，塊碎石路基與管道通風(fēng)路基通常被采用，由于這兩種路基都是通過調(diào)節(jié)大氣與路基間的對流換熱來實現(xiàn)對路基自身及其下部地基土的冷卻降溫作用，因此將這兩種路基統(tǒng)稱為“氣冷路基”。本文采用試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，以青藏鐵路工程為依托，對多年凍土區(qū)塊碎石路基和管道通風(fēng)路基這兩種氣冷路基的降溫效果及長期熱穩(wěn)定性進(jìn)行了深入

2、系統(tǒng)的研究，以期能夠為解決寒區(qū)道路工程建設(shè)中路基合理結(jié)構(gòu)、設(shè)計參數(shù)以及病害防治等關(guān)鍵技術(shù)問題提供科學(xué)依據(jù)。得到的主要結(jié)論如下：
　　 (1)為了查明塊碎石層的傳熱特性，通過室內(nèi)試驗對不同形狀塊碎石層在封閉和開放條件下的降溫效果和降溫機(jī)理進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，在風(fēng)的作用下，邊界狀態(tài)對塊碎石層降溫效果和降溫機(jī)理有著決定性的影響：封閉邊界的塊碎石層，當(dāng)滿足一定條件時內(nèi)部可發(fā)生自然對流，具有明顯的熱半導(dǎo)體特性；而開放塊碎石層的熱量傳

3、遞主要是依靠強(qiáng)迫對流，熱半導(dǎo)體特性不顯著。研究還發(fā)現(xiàn)，頂部封閉方形塊碎石層底部溫度周期較差很小，最佳降溫粒徑范圍約為20～30cm；而對于頂部開放方形塊碎石層，隨著粒徑的增大，底部溫度周期較差增大，但周期平均溫度降低。用于護(hù)坡的開放傾斜塊碎石層在考慮太陽輻射增溫的條件下，粒徑在6～30cm范圍內(nèi)，迎風(fēng)條件下主要以強(qiáng)迫對流換熱與接觸熱傳導(dǎo)為主，降溫效果隨粒徑的增大而加強(qiáng)；而背風(fēng)條件下，在環(huán)境溫度較低時自然對流換熱也同樣發(fā)揮著較為重要的作用

4、，在粒徑為21～23cm時降溫效果最好。
　　 (2)基于多孔介質(zhì)中不可壓縮流體對流的連續(xù)性方程，非達(dá)西流動量方程及能量方程，考慮外界風(fēng)的作用，建立了多年凍土區(qū)開放塊碎石路堤對流換熱數(shù)學(xué)模型，并通過與現(xiàn)場實測資料的對比證明了模型是合理可靠的。然后，對青藏鐵路多年凍土區(qū)開放塊碎石路堤的速度場及未來50年的溫度場進(jìn)行了數(shù)值研究。結(jié)果表明：開放塊碎石路堤以強(qiáng)迫對流換熱為主；在年平均氣溫為-4.0℃，考慮未來50年青藏高原氣溫升高2.6

5、℃條件下，開放塊碎石路堤在修筑完成后的短期內(nèi)均不能有效消除由于路堤填筑所帶來的熱量和阻止下部凍土升溫，但對下部多年凍土均具有積極的保護(hù)作用，并且不同的結(jié)構(gòu)形式長期熱穩(wěn)定性不同：1)傳統(tǒng)道碴路堤不利于凍土的保護(hù)，將會引起其下部多年凍土的嚴(yán)重退化；2)開放塊碎石夾層路堤降溫效果及長期熱穩(wěn)定性較好，并且較高塊碎石夾層路堤的降溫效果好于較低塊碎石夾層路堤，這主要由于較高路堤底部較寬，塊碎石層的強(qiáng)迫對流換熱更容易發(fā)揮作用，進(jìn)而對下部凍土產(chǎn)生更顯著

6、的冷卻作用。但由于主導(dǎo)風(fēng)向的影響，較高路堤下溫度場出現(xiàn)較嚴(yán)重的左右不對稱問題，而較低路堤則無此現(xiàn)象發(fā)生；3)開放塊碎石護(hù)坡路堤對下部多年凍土也具有積極的保護(hù)作用，但降溫效果主要集中在坡腳，路堤中部相對較弱，長期熱穩(wěn)定性相對較差。
　　 (3)由于邊界狀態(tài)的差異，封閉系統(tǒng)內(nèi)部對流和傳熱模式與開放系統(tǒng)截然不同。因此，根據(jù)多孔介質(zhì)中不可壓縮流體熱對流的連續(xù)性方程，動量方程(非達(dá)西流)及能量方程，建立了多年凍土區(qū)封閉塊碎石路堤的對流換熱

7、模型，并以室內(nèi)試驗研究結(jié)果證明了模型是合理可靠的。運(yùn)用本模型對青藏鐵路多年凍土區(qū)封閉塊碎石路堤的速度場及未來50年的溫度場進(jìn)行了預(yù)測分析。研究結(jié)果表明，封閉塊碎石路堤內(nèi)部空氣以自然對流為主；在年平均氣溫為-4.0℃，考慮未來50年青藏高原氣溫升高2.6℃條件下，封閉塊碎石路堤在修筑完成后的短期內(nèi)也不能有效消除由于路堤填筑所帶來的熱量和阻止下部凍土升溫，但同樣對下部凍土具有積極的保護(hù)作用，并且不同的結(jié)構(gòu)形式降溫效果和長期熱穩(wěn)定性存在明顯差

8、異：1)封閉塊碎石夾層路堤隨著塊碎石層上部填土厚度的增加，內(nèi)部空氣自然對流減弱，降溫效果變差，當(dāng)填土過厚時其長期熱穩(wěn)定性不易得到保證；2)封閉塊碎石護(hù)坡路堤的降溫特點為坡腳處降溫效果較好，中部相對較弱，長期熱穩(wěn)定性不理想；3)封閉U形塊碎石路堤能夠有效保護(hù)下部多年凍土，解決路堤過高造成的熱穩(wěn)定性問題，確保道路的長期熱穩(wěn)定性。
　　 (4)路塹結(jié)構(gòu)也是青藏鐵路多年凍土區(qū)一種重要的路基結(jié)構(gòu)形式。通過對青藏鐵路北麓河路塹試驗段溫度場及

9、病害的分析，提出了保溫路塹和塊碎石換填路塹兩種結(jié)構(gòu)形式：保溫路塹是在邊坡與基底的換填土層中均鋪設(shè)保溫材料，為被動保溫措施；塊碎石換填路塹是在邊坡?lián)Q填土層中鋪設(shè)保溫層，基底以塊碎石換填，是一種主動冷卻措施。研究結(jié)果表明，在高溫多年凍土區(qū)或退化型低溫多年凍土區(qū)修筑路塹時，塊碎石換填路塹可以作為一種能夠有效保護(hù)下部多年凍土的結(jié)構(gòu)形式，并具有較好的長期熱穩(wěn)定性。
　　 (5)運(yùn)用對流、傳導(dǎo)及流-固耦合傳熱理論，建立了管道通風(fēng)路堤三維非線