风积沙环境下高等级公路冻土块石路基降温性能分析

青藏高原脆弱的生态系统以及人类工程活动,加剧了青藏工程走廊线性工程两侧沙漠化、荒漠化发展趋势,尤其冻土块石路基面临日益严重的风积沙灾害问题。以多年冻土区高等级公路块石路基为研究对象,采用数值模拟分析风积沙环境下封闭块石路基的降温性能和长期热稳定性。结果表明：风积沙堆积对封闭块石路基下部土层冻土温度的影响程度高于冻土上限,1.0 m湿沙工况降低冻土温度,0.2 m干沙则增大冻土温度。升温背景下,随年平均气温增加风沙堆积对路基冻土上限影响程度增强,干沙增大冻土融化深度,湿沙抬升冻土上限。随冻土含冰量减小,路基中心冻土上限对气候升温敏感性增加,风沙堆积影响减弱。气候升温和风沙堆积条件下,在年平均气温低于-5.5℃时,宽幅沥青路面封闭块石路基能够满足降温要求,使人为冻土上限保持在块石层内。研究成果可为风沙危害区多年冻土块石路基的病害治理和拟建青藏高速公路块石路基设计提供科学依据。     

高温冻土区U型块石路基长期降温效果及变形特征研究

U型块石路基作为块石护坡与块石基底两种结构路基的组合,同时也作为青藏铁路的一种主要补强措施,其在高温冻土区的长期降温效果备受关注。基于长期的现场监测资料,对青藏铁路楚玛尔河高温冻土区一处U型块石路基的长期降温过程、降温机制以及变形特征进行了研究。结果表明:U型块石路基表现出持续稳定的降温效果,路基下部多年冻土上限附近降温明显,上限抬升迅速,且进入稳定状态。基底块石层底、顶板温差存在明显冷暖季差异。阴坡侧块石层每年1月至3月初为相对强烈自然对流期,阳坡侧相对缩短半个月时间。受工程热扰动影响,深层的多年冻土在经历2~3年升温过程后,呈现显著的降温过程。路基变形整体表现为较小的沉降量,变形主要来源于早期路基下部高温冻土层的压缩变形。总之,U型块石路基在高温冻土区表现出长期有效的降温效果,变形量有限且已趋于稳定,路基整体稳定性可以得到保证。     

青藏铁路碎石护坡-热管复合措施的补强效果研究

青藏铁路高温冻土区的普通路基和保温材料路基均处于热不稳定状态, 需要对它们增设碎石护坡-热管复合措施来强化处理, 新增设的补强措施对路基下部冻土的保护效果如何是人们极为关心的问题. 因此, 对北麓河高温高含冰量路段增设了碎石护坡及热管的复合补强措施后路基下部土体的热状态进行观测.结果显示:普通路基在增设补强措施后, 人为冻土上限进一步抬升, 阴阳坡下均出现显著的降温趋势, 且路基下温度场逐渐趋于对称, 降温范围逐渐向路基中心及深部发展, 路堤中心深部地温仍处于增温状态, 但增温趋势明显缓减; 保温材料路基在增设补强措施后, 人为冻土上限也进一步的抬升至保温板附近, 融化夹层在2个冻融周期后消失, 路堤中心温度在2个冻融周期后出现了降温趋势. 这些效果说明, 补强措施在调控路基内部及下部多年冻土温度时发挥了积极作用.     

多年冻土区块、碎石护坡冷却作用的对比研究

基于青藏铁路北麓河试验段块、碎石护坡路基阳坡坡中孔的地温观测资料, 分析了块、碎石护坡下的温度变化过程及进入块、碎石层下部土体的热收支情况. 结果表明: 观测期内块石层下平均温度低于碎石层下平均温度, 而块石层下温度波幅大于碎石层下温度波幅. 块石层下最大融化深度有明显的抬升, 这种抬升得益于冷季块石层内空气较强的对流冷却作用. 从进入块、碎石层下部土体的热收支情况来看, 块石层较碎石层具有更好的冷却作用.     

青藏高原封闭道碴层对下部多年冻土保护作用的现场实验研究

为了研究封闭道碴层对其下部多年冻土是否具有积极的保护作用,在青藏铁路北麓河试验段附近建立了封闭碎石道碴坑和卵石地表对比试验场,并对下部地温进行监测.结果发现:经过两个冻融循环后,道碴坑底部(1.3 m深度处)年平均地温为-1.11℃,比卵石地表相同深度低0.73℃;道碴坑中部(0.7m深度处)年平均地温为-1.60℃,比卵石地表相同深度地温低1.4℃.封闭碎石道碴层可以提升冻土上限,降低多年冻土温度,对下部多年冻土起到很好的保护作用.封闭道碴层的这种降温效果是由于道碴层具有可变导热系数的特点,暖季道碴层上部温度高,下部温度低,不产生对流,等效导热系数小,传入道碴层以下土体的热量较少;相反寒季道碴层上部温度低,下部温度高,产生自然对流,等效导热系数增大,有利于道碴层以下土体释放热量.     

基于热稳定性的冻土区铁路路基过渡段结构改进研究

自青藏铁路通车以来,其冻土地区铁路路基的融沉冻胀病害层出不穷,铁路路基过渡段的差异沉降问题尤为严重。基于一般地区铁路路基过渡段差异沉降的治理方法,结合冻土区铁路路基的主动降温措施,对冻土区铁路路基过渡段施工结构进行了探索性的改进研究,并对改进后铁路路基过渡段的长期热稳定性进行了分析。结果表明：将传统块碎石铁路路基上层路基填料换填成一定高度的单一粒径碎石,可使铁路路基在满足力学稳定性的前提下,实现最大限度的自然对流换热效应;通过数值模拟计算分析发现,改进后的铁路路基过渡段结构在气温变暖的环境背景下主动降温效果明显,且长期热稳定性好;桥台对铁路路基过渡段的温度场影响较大,建议对受太阳辐射强烈的桥台进行保温处理。     

封闭块碎石层最佳降温粒径的室内试验研究

对不同粒径块碎石层在封闭条件下的降温效果进行了系列室内试验研究,试验中块碎石层厚度为1.3 m,采用的4种块碎石平均粒径分别为8.3 cm、14.8 cm、22.1 cm和27.1 cm.结果表明:在顶部温度(平均温度为正)周期波动条件下,4种粒径块碎石层均有一定的降温效果,但平均粒径为22.1 cm的块碎石层降温效果最好.经综合分析确定,封闭块碎石层在本试验条件下的最优降温粒径范围为20~30 cm.在全球升温与人类工程活动的背景下,即使路基表面平均温度升为正,只要合理利用块碎石层的降温特性,就可以达到有效保护其下部多年冻土的目的.     

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.     

青藏铁路普通路基下部冻土变化分析

高温高含冰量冻土地区,青藏铁路采取了冷却路基、降低多年冻土温度的工程措施.然而青藏铁路仍有大量路段未采用任何工程措施,因此修筑普通路基后冻土变化也是普遍关心的问题.根据青藏铁路普通路基下部土体温度监测的近期结果,分析了季节冻土区、已退化多年冻土区和多年冻土区路基下部冻土变化特征.结果表明,不同区域修筑普通路基,其下部土体温度、最大季节冻结深度、多年冻土上限等存在较大的差异.在季节冻土和已退化多年冻土区,右路肩下部(阴坡)已形成冻土隔年层;在多年冻土强烈退化区,其路基下部形成融化夹层;在高温多年冻土区,其路基下部上限存在抬升和下降,上限附近土体温度有升高的趋势.在低温多年冻土区,其路基下部上限全部抬升,上限附近土体存在"冷量"积累,有利于路基下部多年冻土热稳定性.因此,低温多年冻土区修筑普通路基后,冻土变化基本是向着有利于路基稳定性的方向发展,在其它地段修筑普通路基,冻土变化是向着不利于路基稳定性的方向发展的.特别是阴阳坡太阳辐射差异,导致了土体热状态和多年冻土上限形态产生较大的差异,这种差异将会对路基稳定性产生一定的影响.     

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     

青藏高原气候转暖与冻土工程的关系

工程作用和气候转暖影响加剧了工程下部多年冻土的退化,导致冻土工程稳定性发生显著变化。本文从气候转暖和工程活动下多年冻土变化和冻融灾害的视角探讨了气候转暖与工程稳定性的关系,给出了青藏高原气候转暖下活动层厚度、冻土温度等变化和青藏公路和青藏铁路工程下部多年冻土上限、冻土温度和路基变形等特征。同时,系统梳理了青藏高原冻土工程防治冻土融化的工程技术措施,讨论了未来气候变暖下青藏高原多年冻土的变化特征及其对冻土工程服役性的影响。青藏高原多年冻土在过去数十年来发生了不同程度的退化,工程作用加速了工程下部多年冻土退化,严重影响工程稳定性。青藏铁路采取了冷却路基、降低多年冻土温度的技术措施,但冻土工程仅能适应气候变暖1 ℃的情况。未来气候变暖1.5 ℃,青藏铁路冻土工程的补强措施需尽早谋划。     

多年冻土区高等级公路特殊路基长期降温效果研究

气候变暖背景下,块石路基及通风管-封闭块石基底复合路基成为多年冻土区高等级公路冷却路基的主要结构形式. 为探明不同直径块石层的渗流特征和规律,开展了立方排列球体室内风洞试验,一方面获得了渗透率和惯性阻力系数及其与球体直径间的统计关系;另一方面得到了球体层内部压力梯度与渗流速度呈二次非线性关系. 基于该试验得到的参数和关系,采用多孔介质中流固耦合传热模型,通过有限体积法模拟了柴木铁路块石路基的降温效果,并利用实测数据验证了模型及参数的可靠性. 在此基础之上,以青藏高等级公路特殊路基为原型,使用该传热模型开展了封闭块石基底路基和通风管-块石复合路基长期冷却降温效果的数值模拟研究. 结果表明：封闭块石基底路基和通风管-封闭块石复合路基在研究期内均有降温效果,可以提高路基下人为上限,而块石夹层路基在一定时期内可以提高冻土上限,但下部土体温度升高,长期降温效果较差.     

高温冻土区新型复合护坡降温机制研究

遮阳板碎石复合护坡是一种集碎石护坡和遮阳板护坡双重效用于一体的新型复合护坡结构,是一种很好的治理高温冻土区块碎石护坡路基病害的补强措施。基于遮阳板和块碎石单个工程措施降温机制的研究,通过对这种新型复合护坡路基的温度场和速度场特征以及降温过程的研究,提出新型复合护坡路基的降温机制。研究发现,封闭新型复合护坡的主要降温机制是：复合护坡中遮阳板有遮阳和挡风雪作用,碎石层有“热半导体”效应和“热屏蔽效应”（屏蔽遮阳板的二次辐射）;开放新型复合护坡的主要降温机制是：遮阳板有遮阳、挡风雪作用,碎石护坡有 “热屏蔽效应”（屏蔽热风和二次辐射）和“烟囱效应”,遮阳板和碎石护坡组合的通道有“虹吸效应”、“狭管效应”和 “烟囱效应”。研究成果完善和深化了新型复合护坡路基研究基础,而且对遮阳板和块碎石结构在青藏铁路或青藏公路中的应用提供科学依据和技术支撑。     

青藏铁路抛石护坡和保温材料复合路基温度场特征非线性分析

采用多孔介质中流体的连续性方程、动量方程及能量方程,针对青藏铁路的气温和地质条件,对抛石护坡路基(无保温材料)及其在靠近路基顶部增设保温材料后的温度场特征进行了分析和比较.结果表明:在年平均气温为-4.0℃的青藏高原多年冻土区,考虑未来50 a气温上升2.6℃条件下,抛石护坡路基对其下部多年冻土可起到一定的保护作用;但由于气温升高的影响,路基中心处出现终年融化夹层;计算中发现当抛石护坡达到一定厚度时,单纯依靠增加抛石护坡厚度并不能明显增加其对路基中心处的降温效果;而增设保温材料后的抛石护坡路基可有效减小路基中出现的融化夹层,确保冻土路基的稳定.因此,建议在高温多年冻土区使用抛石护坡路基结构时,应考虑使用保温材料作为一种对抛石护坡路基进行保温补强的措施.     

块石路基对流特性实验研究

利用块石层调控冻土路基地温是冻土工程主动冷却路基的一种重要措施,并在青藏铁路重大工程建设中得到广泛应用.通过块石层中空气流动特性的深入研究,对其结构优化和效能提升具有重要意义,而不同温差条件下块石层中空气的流动特性,以及微风速的实际测定一直是其中亟待解决的问题.通过高精度微风速探测,首次获得封闭条件下块石层的空气流动特征.结果表明:在边界温度波动条件下,块石层内的降温过程与其内部自然对流过程密切相关,在对流作用下快速完成降温过程;升温过程则在相对较长时段内主要由内部的热传导换热完成,由此导致温度变化曲线非对称这一特殊现象的出现,并随深度增加而愈加明显.块石层上下端面的温差是对流发生及强度的关键控制因素,当温差达到一定量值时流速随温差的增加而加大,同时空气温度的变化也会对空气流动过程产生影响;块石层内整个空气流动过程是一个传递过程,也是热量传递的过程.该实验研究结果将对该种工程措施机理的进一步认识和改进、相关模拟计算参数的选取,以及在冻土区高等级公路等重大工程建设中的进一步有效应用均具有重要意义.     

碎石层的"热半导体"作用

碎石层在冰缘地区有广泛分布.众多文献报道,碎石层具有降低其下地温的作用,根据这些现象,对其致冷形成机理进行了研究.结果表明:对封闭的倾斜碎石层,其致冷机制主要基于Rayleigh-Bènard对流;对开放的倾斜碎石层,其致冷机制包括“烟囱效应”和风引起的强迫对流.并进一步用模型试验、数值模拟和现场的实体试验对致冷机理进行了验证.碎石层己在青藏铁路建设中得到广泛应用,并被证明起到了冷却路基的作用.这一措施效果显著、施工简便、环境友好且成本相对较低,可用于多种冻土工程,以适应全球变暖的影响.     

青藏铁路块石路基冷却降温效果对比分析

基于现场地温监测数据,对青藏铁路两种主要块石路基（块石护坡及U型块石路基）在不同年平均地温分区的冷却降温效果进行对比分析,发现不论是在低温基本稳定区（年平均温度-2.0 ℃≤TCP<-1.0 ℃）还是高温极不稳定区（TCP>-0.5 ℃）,两种块石路基的应用都能够有效地提升路基下部多年冻土上限。但两种不同块石结构路基表现出不同的冷却降温效果,其中U型块石路基冷却降温效果较好,在路基下多年冻土上限提升及下伏浅层多年冻土降温的同时,深层多年冻土温度保持稳定;而块石护坡路基下人为多年冻土上限的提升及浅层多年冻土温度的降低一定程度上消耗了下伏深层多年冻土的冷量,从而导致其温度有所升高。同时,在不同的年平均地温分区块石路基表现出不同的冷却降温效果：年平均地温较低断面,块石路基冷却降温效果显著。在年平均地温较高的断面,尤其是高温极不稳定多年冻土区,块石护坡路基下伏深层多年冻土温度升高明显,路基长期稳定性难以得到保证。     

青藏铁路冻土区块石护坡路基热传递特性

块石护坡路基是青藏铁路建设中一种有效的冷却地基保护冻土工程措施.考虑高原夏季夜间冷空气对块石护坡路基温度场的影响,对青藏铁路北麓河块石护坡试验路基夏季某一整天的温度场、热流量和热流密度进行了分析,研究块石护坡路基昼夜间热传递特性.结果表明:块石护坡路基在夏季白天吸收热量,在夜间冷空气的作用下路基释放一部分热量,说明夏季夜间存在一定的降温效果.另外考虑一年内冷暖季块石护坡的热传递差异,对块石护坡路基冷暖季的温度场、热流量和热流密度变化情况进行研究,探讨其冷暖季热传递特性,结果显示:块石护坡路基暖季处于吸热状态,冷季处于放热状态;从一年的热流量变化看,块石护坡路基冷季的放热量大于吸热量,路基储存冷能有利于保护冻土.