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.     

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。     

块石基底路基中局部非热平衡效应研究北大核心CSCD

块石作为一种高孔隙率、大粒径的多孔介质,因其可通过调节内部冷暖季节对流方式实现多年冻土路基降温,而被广泛应用于青藏铁路工程以减弱气候变暖及工程扰动对多年冻土路基的影响。因此,精准描述块石路基结构换热机理并模拟其长期热防护效应十分重要。在一些领域内,已经证明使用局部非热平衡(LTNE)可以提升多孔介质的计算精度,但在块石结构孔隙尺度下的传热效能计算中仍较少使用。其中,多孔介质内部流固换热系数(hsf)是LTNE能量方程中重要的参数,该系数如何选取也决定着模型计算的准确性。本文以块石基底路基为例,通过数值模拟方法,将传统路基使用的局部热平衡(LTE)模型与LTNE模型的模拟结果与实测数据进行对比,并分析了不同经典hsf对块石结构换热的影响。研究结果表明,块石基底路基局部非热平衡效应明显:模拟结果显示LTNE模型中,同一时间内块石与空气温度不相等,空气与块石在夏季和冬季的最大温差高达1.54℃和0.80℃;LTNE的模拟结果与实测数据更为接近,且LTE模型的降温幅度略高于预期,二者在2 m、5 m、10 m处的年平均误差百分数分别相差6%、1%和8%;不同研究者(Achenbach、Wakao、Dixon等、Pallares等)得出的hsf在块石路基中变化趋势相近,峰值差异明显,但对块石路基下部土体温度的影响较小。     

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.     

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。     

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.     

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.     

通风块石层非达西效应的试验研究

块石通风路基是青藏铁路建设中保护多年冻土的主要措施,准确地描述空气在块石中的流动是块碎石路基冷却效应数值分析的首要问题.通过风洞试验研究了块石层内部渗流速度和压力梯度的关系,试验中块石的平均粒径为12.5cm,孔隙率为0.487,风速和压力差数据是在不同的风机转速下测得.结果表明:块石层内空气渗流速度随压力梯度增大而增大,压力梯度与渗流速度之间存在非线性关系.基于Forchheimer方程,利用试验数据获得了块石层的渗透率和惯性阻力系数.这些结果可为各种块石结构路基降温效果的数值分析提供理论基础.     

封闭条件下抛石路堤降温效果及机理的试验研究

在多年冻土地区道路工程的修筑与维护中, 如何保证多年冻土不退化所采取措施的长期可靠度问题日益为人们所关注. 通过室内试验研究了实际工程中半开放半封闭抛石路堤受到风沙或积雪填埋后,在不同温度变幅条件下的降温效果. 实验结果发现: 在满足一定厚度时, 封闭条件下的块石层仍具有良好的降温效果, 具有可变等效导热系数的特性, 在实验中充分体现了"热二极管效应". 在外界温度变幅较大的条件下, 降温速度和降温效率均大于温度变幅较小的情况. 通过对块石层顶底温差与其顶部温度变化关系, 以及块石层内温度场特征的分析, 证实了封闭块石层内自然对流的真实存在和对流的运动发展趋势. 试验结果为抛石路堤降温的长期可靠性提供了依据.     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

On Convective Style and Vigor in Sheet-like Magma Chambers

The well known absence of magrnatic superheat is held here tobe a direct reflection of the ease and efficiency of large Rayleighnumber (Ra) convection in evacuating all convectable heat fromthe magma. Magmatic temperature is thus continually bufferedat or below the convective liquidus where the temperature differencedriving convection is vanishingly small and the governing Rais also always small regardless of body size. It is furtherheld here that for bodies where side wall cooling is of lesserimportance, the more common perception of magma chambers isof cooling from above and below where both the initial, isothermal(i.e. isodensity), and final (solid) states are dynamicallystable and that convection is necessarily a transient processconnecting these states. Extensive theoretical and experimentalstudies of cooling from above show that regardless of boundaryconditions transient, small Ra convection is independent oflayer thickness. Instead, convection is driven by formationof a thin, cool, and dense sublayer along the top boundary,and the characteristic length scale of the governing Rayleighnumber, which is time-dependent, is the sublayer thickness (d<<L).All dynamic features of the flow, including heat transfer relyon this length scale and not body thickness; virtually any sheet-likemagmatic body appears infinitely thick to such convection. BecauseRa is small, this transient stage persists for most, if notall, of the period of solidification to mush, whence the bodyis dynamically dead. Under conditions of strongly variable viscosity, only the leadingpart of d (i.e. d'), forward of a critical rheological front,is unstable. Convection itself is restricted to a region whereviscosity changes by no more than a factor of about 3 to 10.Most of the cool, dense sublayer is rigid, immobile crust, unableto participate in convection and cool the body. Rapid advanceof this crust due to cooling inhibits convection by consuminginstabilities before maturation to finite amplitude. Inclusionof solidification in the stability analysis changes the lengthscale in the governing Rayleigh number (Ra_v) to K/V (thermaldiffusivity/advance velocity). Ra is subcritical for large V₀(early times) and only with time becomes supcrcritical. Thisis in striking contrast to the usual Ra_L, which is initiallythe largest it will ever be. Because of continual collapse ofthe unstable sublayer, convection may remain near the criticalRa_v. Convection is thus initially weak and, because the heatflux from the system monotonically decreases with time due tothe thickening conductive crust and cooling, it is preventedfrom becoming indefinitely strong and instead slowly diminisheswith time. Conduction through the advancing crust is balanced by latentheat of crystallization at the crystallization front and convectionoccurs in response to this cooling. Because convection is confinedto the nearly isoviscous, nonsuperheated magma, crust growthis unaffected by convection, even when it is artificially forcedat unnatural rates. The crusts of Hawaiian lava lakes reflectthis in growing at the same rate regardless of lake thicknessand, in numerical convective modeling, imposed Rayleigh number.Overall cooling is well approximated by that of a stagnant,purely conducting layer whose central temperature is constantuntil arrival of the slowly moving cooling front In fact, therate of change of a body's central temperature is a direct measureof the total rate of heat transfer (i.e. Nusselt number, Nu)from that region. This is shown to be very nearly zero for Hawaiianlava lakes, precluding all but the weakest of convective heattransfer within the magma itself. The maximum heat transfer in terms of Nusselt number of anyunheated body within a conductive medium and always kept perfectlywell mixed thermally, relative to the same stagnant body, isshown to be Nu=2 regardless of shape and size. This thermalevolution is closely followed by previous calculations thatassume a large Rayleigh number based on layer thickness. Thermal convection in unheated, sheetlike magma chambers isa transient, sluggish process governed by solidification andsmall scale, small Rayleigh number instabilities; thermallydriven convective turbulence, in the usual sense, is out ofthe question.     

路面类型对多年冻土区片块石路基热状态的影响

为了研究不同路面类型对高温多年冻土区路基的热稳定性的影响,基于温度监测数据,针对沥青混凝土路面和水泥混凝土路面下片块石路基温度、热流密度、热收支变化、冻融循环过程及冻土上限变化进行了详细的分析。发现沥青混凝土路面和水泥混凝土路面都对片块石路基的温度有较大的影响,但沥青混凝土路面影响程度和深度远比水泥混凝土路面大。片块石路基中心热收支量呈上升趋势,沥青混凝土路面下其上升速率大于水泥混凝土路面,且路基阳坡热收支量大于阴坡。无论路面材料为沥青混凝土路面还是水泥混凝土路面,片块石路基阴阳坡路肩冻土仍处于不断退化阶段,而阳坡冻土上限下降速率明显大于阴坡。与普通路基相比,片块石层的存在能大幅度抬升或减缓路基冻土上限下降,且浅色水泥混凝土路面更有利于路基的热稳定性。     

高温冻土地区高等级公路片块石路基降温效果分析

基于长期、连续的地温观测数据,对位于共和至玉树高等级公路沿线、平均海拔为4 260 m且处于高温冻土区的片块石路基温度、热状态、冻融循环过程和冻土人为上限及变化速率等进行了分析,研究了沥青混凝土和水泥混凝土路面对片块石路基下伏多年冻土的影响,以期对其适用性进行评价。研究发现,沥青混凝土路面的铺设使路基吸收了较多的热量,促使下伏多年冻土升温,导致多年冻土快速退化。观测期内,高温冻土地区沥青混凝土路面下片块石路基中心冻土退化速率为33.5 cm/a,几乎是天然地基的5倍。而且路基阴阳坡效应严重,阳坡路肩冻土退化速率为33.0 cm/a,明显大于阴坡路肩 （22.0 cm/a）。与沥青混凝土路面相比,水泥混凝土路面较高的热反射率、较小的热辐射吸收率,有利于抬升冻土上限或减缓冻土退化速率。但在观测期间,发现处于高温冻土区的高等级公路片块石路基在沥青混凝土路面下融化盘面积增长速率为12.24 m2/a,而在水泥混凝土路面下为9.28 m2/a,即融化盘面积以不同程度的速率始终在增大。因此,单纯的片块石层的存在和路面类型的改变,并未彻底解决高温冻土区高等级公路路基热平衡问题,建议增加补强措施或采用复合路基结构来应对其热稳定性问题。