透壁通风管路堤的对流换热和蒸发散热

针对透壁通风管路堤中透壁通风管管壁与空气之间的对流换热和土体水分通过管壁小孔的蒸发散热机制,分析了开孔率、风速及含水率等因素对透壁通风管管壁对流换热和水分蒸发散热的影响,并具体给出了管壁对流换热系数和蒸发散热系数的计算公式。冬季路堤由于冻土层未冻水含量较小而使管壁小孔的水分蒸发散热较弱,路堤总的降温效果主要由管壁对流换热效应控制,而暖季通风管内空气与管壁的对流换热效应可使路堤土体增温,同时,由于通风管周围融土的未冻水含量较大,而使得通过管壁小孔的水分蒸发散热较强,可部分或全部抵消对流换热引起的增温效应,而有利于路堤的稳定。     

表面条件对透壁通风管碎石路堤降温效果的影响

针对青藏高原冻土区高速公路拟采用的透壁通风管碎石路堤,进行了表面开放和封闭透壁通风管碎石试样降温效果的室内试验,分析比较了表面开放和封闭边界条件对透壁通风管负温通风增强碎石路堤降温效果的影响差异。分析表明,表面开放和封闭透壁通风管碎石路堤都以外界空气通过管壁透气小孔与通风管附近碎石区域孔隙空气循环产生的强迫对流传热增强降温作用,另外,表面封闭透壁通风管碎石路堤能够在上部碎石区域产生孔隙空气循环的自然对流降温效应。因此,表面封闭透壁通风管碎石路堤的降温效果更为显著。     

透壁通风管增强开放碎石路堤降温效果试验

通过4种不同实验条件下透壁通风管开放碎石路堤试样室内试验研究了通风情况对透壁通风管增强开放碎石路堤降温效应的影响。比较4种实验结果发现,透壁通风管开放碎石路堤存在碎石表面单纯热传导传热、外界空气通过碎石路堤开放表面与碎石层内孔隙空气直接循环产生的强迫对流传热、通风管管壁与管内空气的对流换热以及管内空气通过管壁透气小孔与附近碎石层内孔隙空气直接循环产生的强迫对流传热4种传热过程。对于仅负温通风的透壁通风管开放碎石路堤,通过开放表面及管壁透气小孔使外界冷空气与碎石层内孔隙空气形成循环,从而显著增强了路堤冬季冷空气引起的降温效应。     

青藏铁路透壁通风管通风路基模型试验及初始温度场特征

通风路基作为一种积极主动保护冻土路基的冷却调控技术能有效的抬升多年冻土上限, 保护冻土路基的稳定性. 目前实体试验工程通风路基一般采用路基内预埋实体混凝土管或PVC管, 管壁不能透风, 管壁与土体间主要通过热传导进行换热. 一种管壁开孔、可以透风的新型通风管--"透壁通风管"既能以管内空气间的对流带走管内热量; 因其管壁透风, 低温的冷空气可以透过管壁的大孔眼穿透到通风管周围的介质中, 直接与其进行热交换, 从而改善传统通风管换热模式. 为探索透壁通风管在青藏铁路路基中的实际温控效果而进行了青藏铁路透壁通风管路基现场试验, 试验路基短期监测资料的分析结果显示, 透壁通风管对青藏铁路路基具有良好的冷却能力, 可在一定程度上抬升冻土上限; 透壁通风管路基经填土级配优化重组后更能充分发挥其路基冷却效果     

透壁式通风管-块石复合气冷路基室内模型试验研究

为了研究透壁式通风管-块石复合气冷路基的降温效果,针对年均气温约-3.5℃,平均风速2.5 m·s^-1,主导风向为西北方向的高原环境条件开展室内模型试验,分析了单一块石气冷路基和透壁式通风管-块石复合气冷路基的孔隙空气对流速度、特征点地温变化过程以及模型整体温度场变化过程.结果表明：在透壁式通风管的疏导作用下,透壁式通风管与块石层的复合结构能够起到强化路基体对流的效果,复合路基块石孔隙中的空气流速比单一块石路基提高约20%,由此导致复合路基模型底部的降温幅度是单一块石路基模型的2.2倍.模型整体温度场表明,复合路基能够起到储存冷量、降低下伏多年冻土地温的作用.     

通风管、抛碎石和保温材料保护冻土路堤的工程效果分析

根据青藏铁路北麓河试验段2年以来的气温降温期的现场监测资料,对多年冻土区保护冻土路堤的3种典型结构型式的试验段（通风管路堤、抛碎石护坡路堤和保温材料路堤）各断面的地温规律进行了分析和积温计算。试验段初步计算结果表明,3种路基结构型式对于保护多年冻土区路堤均能起到一定的作用,为青藏铁路在多年冻土区保护冻土路堤的设计和施工提供了一定的理论依据。     

青藏铁路可调控通风管路基温度场的三维非线性分析

可调控通风管路基是一种理想的保护高温冻土的工程措施. 应用有限元法, 对青藏铁路普通通风管路基和可调控通风管路基在施工完10 a内的温度场变化进行了三维数值分析. 结果表明: 可调控通风管路基在夏季(8月份)0 ℃的等温线比普通通风管路基要高, 说明它的冻土上限抬升幅度较大, 使冻土得到更好地保护, 并且其路基下面从第二年开始也不会出现融化层; 可调控通风管路基下面的冻土平均温度降到 -1 ℃时的时间比普通通风管路基要早, 说明可调控通风管路基具有较好的降温速度和降温效果.     

青藏铁路片石护坡路堤温度特性分析

通过对青藏铁路清水河段片石护坡路堤和普通路堤实体工程进行的地温监测,对比分析了两种路堤体内及基底的温度特性,分析结果表明采用片石护坡措施的路堤,与普通路堤相比,降温效果好,负积温量值大,最大融化深度抬升幅度也较大,因此,片石护坡能够有效发挥降低地温、保护多年冻土的作用。     

青藏铁路管道通风试验路基地温变化及热状况分析

基于青藏铁路北麓河试验段管道通风路基在2个冻融循环周期内的地温监测资料，分析了路基温度的发展、温度场分布特征及多年冻土的热流量变化．结果表明：通风管埋设于路堤中部的路基温度变化和发展情况与一般路基类似，路基在施工后的2个冻融周期内仍处于整体升温的过程；通风管埋设于路堤下部的路基，虽然前2个冻融循环周期内土体温度与原始状态相比同样有所升高，但开始出现逐渐降低的趋势，同时地温场的分布在横向上的对称性也比较好，在热交换方面，一般填土路基和通风管位于路堤中部的路基在施工后的前2个冻融循环周期内一直处于吸热过程，而通风管位于路堤下部的路基在经历了第1个周期的持续吸热过程后，在第2个冻融循环周期内已经开始放热。     

土体水分蒸发研究进展

土体水分蒸发是土体-大气物质和能量交换的主要过程之一,对土体的工程性质有重要影响,是许多工程和环境问题的直接诱因,但长期被本学科所忽视。基于国内外近些年来其他学科领域围绕土体水分蒸发问题所取得的研究成果,分别从土体蒸发量确定方法、试验方法、蒸发过程、影响因素及理论模型等几个重要方面总结了该课题的研究现状及进展,取得如下主要认识：（1）准确确定土体的实际蒸发量是土体水分蒸发研究的核心课题,目前主要有理论计算法和直接测量法两种途径;（2）开展蒸发试验是掌握土体水分蒸发过程和研究土体水分蒸发机制的重要途径,目前主要有室内试验和原位试验两种。相比而言,基于环境箱的室内蒸发试验方法具有较好的应用前景;（3）土体水分的蒸发过程可划分为3个阶段：常速率、减速率和残余阶段;（4）影响土体水分蒸发的因素归纳起来可分为内部土性和外部环境因素两类,前者主要影响土体水分的传输能力,后者主要影响蒸发能量的供应强度;（5）当前关于土体水分蒸发量的计算和预测模型较多,但往往存在误差大、适应范围窄或参数难于获取等不足。基于上述认识,并结合本学科的研究背景,提出了今后该课题的研究重点和方向,包括减速率阶段的蒸发机制、土性参数与蒸发速率之间的量化关系、黏性土尤其是膨胀土中水分的蒸发和迁移机制、高精度原位土体水分蒸发试验设备的研发和构建通用型的土体水分蒸发理论模型等。     

青藏铁路冻土路基变形监测与分析

基于现场监测资料,对作为青藏铁路中的主要保护冻土的几种路基形式（如：通风管路基、块石路基、块石护坡路基、保温材料路基和普通素土路基）进行了变形和温度分析,发现所有路基的变形均以沉降变形为主,且其变形与其下伏冻土的地温场变化密切相关。经过2～3个冻融周期后,通风管路基、块石路基、块石护坡路基和保温材料路基的变形已趋于稳定,而无任何措施的普通路基目前变形仍未稳定。另外,各种路基左右路肩均存在变形差。基于以上分析可得到一个启示：在高温、高含冰量冻土地区,由于路基下多年冻土温度升高产生的高温冻土压缩变形而引起的路基沉降变形具有相当大的量级,很有可能成为冻土路基发生破坏的一个重要原因,工程实践中应给予足够的重视。     

新型管幕冻结法在河堤防渗加固中的温度场分析

为了探究新型管幕冻结法是否能够对河堤进行有效的防渗加固,利用有限元软件基于温度场对新型管幕冻结法在防渗固堤中的应用展开研究,设置4条分析路径,对冻土帷幕的基本情况和各路径的冻结效果特征进行分析。结果表明:冻土帷幕自冻结管处形成后向周围蔓延,从第8天起,0.5 m深度上侧的冻土帷幕发展开始“加速”,相较于另一侧冻土帷幕,其发展更快、强度更高、冻结更密实。冻结完成后,0.5 m深度上侧冻土帷幕均匀密实,坡面上温度最低可降至?25.34℃,各观测点温度均在?24℃以下,最终冻结温度和降温速率均呈现出“M”形特征;堤面最快可在第11天开始冻结,在第14天冻土覆盖整个堤面,土体最终冻结温度与深度之间呈指数函数关系。管幕钢管边界冻结差异较大,最高温点与最低温点温度分别为?24.94℃和?2.89℃,相差约22℃,冻土帷幕最小厚度约0.78 m。所得结果可为将来的相关实际工程提供参考依据。      

青藏铁路路基下部土体水热过程变化的监测研究

修筑路基后土体水分变化是影响路基稳定性的重要因素,然而关于路基土体水分变化认识是极为缺乏的.采用了pF-meter传感器来监测土体温度和水分变化,获得了近3 a的连续监测数据.结果表明,pF-meter较好地反映了路基土体温度和水分变化特征以及土体水分迁移特征.但是,pF-meter传感器不能定量地给出土体水分变化,这...     

季冻区低路堤土基强度与影响因素相关性

对吉林省高等级低路堤公路填土高度与最大冻深进行了调研,该地区低路堤填土高度为0.0~2.2 m,钻孔数据表明路基最大冻深为距路表1.6~2.4 m。选取3种不同塑性指数的路基土,采用正交表L₁₆(4⁵)进行了试验设计,应用静力成型法,使得土体在设定的含水率和压实度的水平下成型,并经历不同的冻融循环次数后,分别测试土体的无侧限抗压回弹模量。试验结果表明:1)对同一种土质,影响因素的大小排序为:含水率>冻融次数>压实度。2)随着含水率增大,土基强度接近线性减小;随着冻融次数的增加,土基强度逐渐减小,前2次冻融影响较大,之后幅度变小趋于稳定;随着压实度的增大,土基强度逐渐增大,增大幅度较小。3)采用指数函数对3种土的室内试验数据进行多元非线性拟合,拟合结果较好。     

复杂大气环境作用下高铁路基水分迁移响应

高铁路基作为列车和轨道结构支承体,直接暴露在复杂大气环境中,受降雨、蒸发等长期循环作用,含水率、基质吸力和剪切强度响应复杂,影响路基长期稳定性。建立了考虑大气作用的水-热耦合高铁路基水分迁移计算模型,通过法国鲁昂路基现场试验案例分析验证了计算模型。利用北京、上海两地2013年实测气象数据,对高铁路基含水率响应进行计算,研究了不同气候和填料类型对体积含水率变化的影响。结果表明：填料和气候类型对路基含水率响应影响显著。大气对砂土路基影响深度较浅（深度<3.0 m）,浅层（深度≤1.0 m）受大气环境影响非常显著,含水率波动范围较大;粉土和黏土路基的含水率受大气影响的深度较深,超过3 m深度,但含水率波动范围较小。北京气候条件下路基含水率季节性差异较大,上海气候条件下路基含水率随单次降雨波动更明显。