块石层与碎石层降温效果室内试验研究

多年冻土区道路病害主要是由路基下多年冻土融化下沉引起，降低路基土体温度、保护冻土是连续多年冻土区的主要建筑原则．通过室内试验研究了在边界温度周期性波动及一定风速条件下块石层和碎石层的降温效果．结果表明：在负温及正温期结束时，块石层中温度沿深度方向是单调变化的，而在碎石层中是非单调变化的；正温结束时，块石层孔隙中的空气温度比块石表面温度低；一定厚度的块石层和碎石层均具有明显的降温效果，在相同边界条件下，平均粒径约7cm的碎石层的降温效果比平均粒径约为22cm的块石层好。因此，选择降温层的最佳粒径及厚度对实际工程具有重要意义。     

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。     

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.     

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。     

青藏铁路抛石护坡路基强迫对流特性数值分析

基于多孔介质中流体热对流的连续性方程、非达西流动量方程和能量方程,对强通风条件下青藏铁路典型抛石护坡路基内温度场和流速场的分布形态进行数值研究。研究结果表明,抛石护坡路基对多年冻土保护作用显著,抛石护坡路基的存在使夏季多年冻土上限明显提高,冬季抛石护坡路基下部土体回冻速度较天然地表下部土体更快,由于降温作用主要集中在护坡附近有限范围之内,对路基中部的降温作用相对较弱。整体而言,抛石护坡对冻土路基本体的保护作用有限,从长期降温效果来看,由于全球气候变暖的影响,强通风条件下抛石护坡路基中线以下土体的内部可能产生“似眼球状”融化夹层,不利于路基的稳定。迎风抛石护坡层中空气运动方向大致为沿护坡斜向上,背风抛石护坡层中空气运动方向以从下到上运动为主,抛石层内空气的运动形式为“绕流”,抛石层表面空气速度最大,内部较小,空气速度分布区间为1.24×10-3～12.8 m/s,数值结果与现场试验测得的风速区间基本一致。     

封闭、开放边界条件下冻土抛石护坡路堤数值模拟比较研究

采用"块石模型"对青藏铁路抛石护坡路堤进行封闭边界条件和开放边界条件下的数值模拟计算,并对结果进行了比较分析.研究表明:在封闭边界条件下,冬季抛石层内部空气的运动趋势为冷空气下渗占据主导地位,夏季空气的主要运动方向为沿斜坡向上,其综合效果有利于路堤保冷.当采用开放边界条件时,抛石层内部的空气运动主要受到外界环境的影响,路堤内的温度场在很大程度上取决于环境温度的变化.因此,抛石层的铺设对于路堤的保冷效果没有封闭边界条件下明显和有效.     

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.     

风积沙对青藏铁路块碎石路基降温效果的影响

风沙危害正在威胁着青藏铁路的安全营运. 通过数值方法研究了风积沙填堵和覆盖青藏铁路块碎石路基后, 块碎石层降温机理以及降温效果的变化特征. 结果表明:开放条件下块石路基具有较强的强迫对流效应; 风积沙填堵后, 块碎石层降温效果减弱. 封闭条件下, 冷季路基坡脚处自然对流较强, 冻土上限抬升; 路基内部自然对流较弱, 由于路基填土作用, 路基中心处冻土上限抬升较大, 但随时间增长而降低; 沙层覆盖后, 块碎石层降温效果减弱, 路基下部冻土上限下降. 在气候变暖背景条件下, 封闭块碎石层自然对流减弱, 冻土上限下降, 不利于冻土路基的热稳定. 因此, 建议对沙害路段的块碎石路基采取补强措施.     

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。     

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.     

冻土区块石护坡路基调温效果试验研究

块石护坡调温路基是多年冻土区铁路设计中所采取的一种积极保护冻土的措施,该调温过程包括暖季的热屏蔽作用和冷季的对流降温两个方面。根据现场观测资料,对两种不同粒径的块石层下地温热状况给予了初步分析。结果表明,暖季小块石层（粒径为50～80 mm）的热屏蔽作用要优于大块石层（粒径为400～500 mm）,而冷季大块石层的对流降温作用要强于小块石层;综合一个暖冷季循环周期来看,大块石层的调温效果要好于小块石层。块石护坡路基下0 ℃等温线大部分已基本接近原天然地表。初步认为,此种发展趋势有利于路基的稳定。     

边界条件对碎石层降温效果及机理的影响

对平均粒径为22.1 cm, 厚度1.3 m, 边界为开放和封闭的碎石层进行了一系列的实验. 从环境温度为最高和最低时刻封闭碎石层内的温度和速度分布可知: 当碎石层上表面温度低于下表面时,碎石层自下向上的散热由空气对流和碎石间的热传导来完成; 当上表面温度高于下表面时, 自上向下传递的热量由碎石接触面间的热传导完成, 此时, 由于其内部的空气几乎静止, 能阻隔热量的传入, 因此封闭边界的碎石层具有热半导体特性. 而开放边界的碎石层, 当平均温度为 0.5℃的空气从上表面吹过时, 碎石体内的热量传递主要是靠强迫对流来完成, 热半导体效果不明显, 不利于使其下面的冻土降温.     

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.     

冻土地区风的作用分析--以青藏铁路沿线多年冻土为例

在广大的冻土地区,尤其是常年多风的冻土地区,空气与地面之间的热交换不仅仅表现为传导、自然对流和辐射。在风的作用下,地表上部空气的强制对流和表土层中的水分蒸发大大增强,对冻土层的热状况产生重要的影响。对于像青藏高原这样的冻土地区而言,地面上1.5 m处空气的年平均温度要比下附面层底的年平均温度低3～3.5℃以上;同时,对于表土层潮湿的冻土地区而言,水分的蒸发也将会带走土体中的大量热量。从冻土地区风作用的概念——冻土地区的风降低地表温度、促进下伏冻土发育的作用出发,分析了影响冻土地区风降温作用的诸多因素,给出在强风、表土含水量大的条件下,风作用表现得非常显著的结论。然后,通过对比、分析青藏铁路北麓河试验段的2个工程实例,验证了风的作用对冻土温度状况的重要影响。最后,给出了风作用在冻土地区若干基础工程实践中直接或间接的应用,以及利用风的降温作用来保护冻土的工程措施的使用条件和局限性。     

块石路基层中对流过程与温度特性关系试验研究

利用块石层调控路基地温是主动冷却路基的一种重要措施,块石层内部对流换热过程是冻土工程应用研究的重要内容之一,块石层中由低压或温差引起的空气流动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仪器,首次获得由温差引起的块石层空气流动特征。研究发现：块石层中对流过程和温度变化过程相互影响,在加速区和稳定区实现快速降温之后呈现缓慢降温过程;块石层内温差大于空气对流的启动温差时,自然对流速度和温差具有线性相关性;随着降温过程在相同温差条件下具有不同的对流特性;块石层上表面温度波动对内部温度波动的影响随深度而减弱,温度延迟性与深度呈线性相关性,块石层不同层位温度变化的非对称性由不同的传热方式和传热效率导致;在热传导期块石层存在热传导影响范围,为保证降温效果块石层厚度需大于热传导范围。研究成果为理论分析和数值模拟提供直接的有力支持以及对该种措施降温机制的进一步认识和改进都具有重要意义。     

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.     

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.     

铁路碎石道碴层导热系数测试研究

采用稳态比较法，对铁路碎石道碴层的导热系数进行了测试．试验在常温条件下，分别对底部加热及顶部加热两种情况进行了研究．结果表明：当碎石道碴层顶、底面之间的温差较小时，顶部加热及底部加热两种试验条件下测得的导热系数基本相同；而当碎石道碴层顶、底面温差较大时，底部加热条件下的导热系数明显地大于顶部加热条件下的导热系数．在底部加热条件下，碎石道碴层的导热系数随温差的增大而逐渐增大．碎石道碴层具有吸热和放热条件下传热的不对称性，合理地利用碎石道碴层的这一传热特性，可望对路基下多年冻土起到积极的保护作用。