多年冻土区宽幅公路路基降温效果研究——一种L型热管–块碎石护坡复合路基

为维护多年冻土区宽幅高等级公路的热稳定性及保护下伏冻土,提出了一种 L 型热管–块碎石护坡保温板复合路基。为研究这种新型路基的降温效果,进行了室内模型试验,试验结果初步证明了这种路基的有效降温能力。为研究这种新型路基的长期效果,采用相关理论,结合室内模型试验的结果,依据青藏高原多年冻土区宽幅高等级公路的气温和地质条件,利用数值方法对有无 L 型热管的块碎石护坡保温板复合路基的温度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 ℃的条件下,新的复合路基能够从整体上有效降低路基下土体的温度,确保高温多年冻土区宽幅高等级公路路基的热稳定性。     

基于热棒功率变化下多年冻土区输电塔热棒桩基的长期降温效果预测

青藏铁路建设中输电塔穿越多年冻土地区,最大的难题是解决输电塔桩基的长期热稳定性问题。为研究热棒应用于输电塔桩基的长期降温效果,基于冻土传热学相关知识,考虑全球气候变暖、冻土相变、混凝土水化放热、热棒功率变化等因素,结合青藏铁路望昆—不冻泉段电力塔热棒桩基的现场试验,建立热棒桩基的三维有限元模型。计算分析50 a内热棒功率和桩土体系温度场。计算结果表明:最初2 a内的计算值与实测值吻合度较高,说明数值计算能较好的模拟此场地桩土体系温度的动态变化;在热棒的全寿命周期30 a内,热棒功率呈非连续波浪递减式变化;热棒桩基能有效增加冷储量,降低土体地温,第5年桩周土体地温降至最低,融化深度最小,第30年可提高冻土上限48cm;建议在热棒寿命结束后的第2年更换新的热棒或进行其他工程处理措施保持输电塔基础的热稳定。     

人类工程活动下多年冻土热融蚀敏感性评价模型

多年冻土热融蚀敏感性是冻土环境变化评价的重要指标之一 ,在评价工程活动对多年冻土环境影响的敏感性变化起极为重要的作用。本文提出多年冻土热融蚀敏感性定量评价模型 ,通过青藏公路沿线地温监测资料用定量评价模型分析工程活动对多年冻土环境影响的敏感性变化。结果表明 :冻土热融蚀敏感性与多年冻土温度及年平均地温呈指数关系 ,与季节融化深度呈对数关系 ;冻土热融蚀敏感性变化也与冻融过程的变化相一致。     

多年冻土路基地温监测及热棒降温分析

为了研究多年冻土区地温变化规律及L型热棒温度调控效能,以公路热棒群降温工程措施为研究对象,通过热传导理论和非线性分析方法,建立了不同监测时段的地温波动预测模型,评价了利用热棒工程措施处治试验段多年冻土路基的降温能效。研究结果表明:热棒作用范围较大,有效影响半径可达5.25m。不同监测时段的冻土地温变化规律略有区别,深度在6m范围内,各测孔地温变化最大降幅达82.1%,6m以下深度范围内,地温逐渐趋于0℃以下。热棒作用初期,多年冻土路基横向地温呈差异化分布,但随着热棒温控效应的增强,有效影响半径内温度调控效果明显,横向地温分布差异性减弱,逐渐趋于较稳定的年平均地温。多年冻土区地温预测值与实测值相关系数均在0.99以上,预测效果良好。研究成果可为冻土路基地温预测、变形监测和降温措施制定提供借鉴。     

多年冻土区桥梁工程桩基础服役期温度场研究

 选取青藏高原国道214沿线低温基本稳定区查拉坪旱桥桩基和高温不稳定区花石峡试验场桩基,对其运行期内地温进行连续监测。基于现场地温实测数据,从冻土上限、冻结及融化过程3个方面,分析桩基对冻土地温的影响,显示因桩基良好的导热性能加剧了桩周冻土与大气的热交换,桩周地温年较差明显增大。结合勘察设计资料建立数学模型,应用有限元数值模拟方法就桩基对地温场的长期影响进行预测,结果表明,未来50 a气温上升2 ℃的情况下,桩侧冻土上限与天然上限差异有所增大,桩侧多年冻土温度升高,该现象在高温不稳定冻土区表现得更为明显。所得结论可为多年冻土区桩基设计、降温保护措施采取及运行管理措施实施提供参考。     

桥梁钻孔灌注桩施工中高温冻土地基温度场动态监测与研究

通过对钻孔灌注桩地基温度变化进程进行为期 1 a 的监测,掌握了施工扰动下高温冻土地基温度场的变化规律。研究结果表明,采用冲击钻成孔工艺的混凝土灌注桩施工,对地基温度场的热扰动较大;寒季大气降温仅对浅层地基具有直接冷冻作用,而发生在深层自下而上冻结过程和桩侧土体由外向内的冻结过程却十分缓慢,温度降低幅度有限。高温多年冻土地段钻孔灌注桩群桩基础周围土体的温度,在有限的施工期内不能回冻到初始温度状况。     

青海省共和－玉树高速公路沿线典型冻土路基保护多年冻土效果的初步分析

 基于青海省共和—玉树(共玉)高速公路修筑初期的地温监测资料,对3种典型冻土路基措施,即保温路基、块石路基和通风管路基下部浅层(0～4 m)地温、深层(4 m以下)地温以及多年冻土人为上限变化情况进行对比分析,研究路基修筑初期下伏多年冻土的变化过程,并且对各种路基技术措施的效果进行比较。监测结果表明,对浅层地温,保温路基左右路肩处一定深度有降温,块石路基仅在右路肩有降温,通风管路基左右路基及中心孔均有较大范围的降温,3种措施均面临不同程度的阴阳坡热不对称问题,以保温路基最为显著;深层地温均有升高的趋势,相同深度下保温路基升温幅度最大,块石路基次之,通风管路基最小;多年冻土人为上限均有显著抬升,并有继续抬升的趋势。初步监测结果显示了保护多年冻土措施的3种路基结构均具有一定的效果,由于道路修筑时间较短,冻土路基的长期效果还需要进一步的监测分析。     

青藏铁路北麓河试验段块石路基与普通路基的地温特征

基于青藏铁路北麓河试验段块石路基与普通路基3个完整冻融循环周期内的地温数据,对比分析了两种路基下原天然地面处与原冻土天然上限处的地温变化过程以及路基不同部位下部土体的地温年际间变化过程。试验结果表明:块石路基下降温趋势明显且低于普通路基,原天然地面处低0.4～0.9℃,原天然冻土上限处低0.3～0.6℃。块石路基下部土体降温范围与降温幅度均大于普通路基,块石路基右路肩下部土体降温范围大于普通路基3 m,块石路基中心下部土体降温范围大于普通路基2 m。块石路基下部土体通过块石层与外界气体发生热交换强度不一致,右路肩下部最强,路基中心下部次之,左路肩下部最弱。     

考虑大气温度变化的冻土区桩基承载力预测

大气温度变暖情况下,研究冻土桩基承载力变化规律,可为设计年限内预测工程结构物的工作状况提供科学依据。根据桩端入土深度及桩土相互作用原理分别对季节性冻土地区桩基和多年冻土地区桩基进行分类,并建立相应的桩土相互作用模型。以实际桩基工程为例,首先,建立大气温度与地温之间的关系,得出冻结期和融化期地面平均温度;然后,建立冻土区季节冻结及季节融化深度和地面平均温度与多年冻土厚度的关系,得出冻土区季节冻结及季节融化深度变化和多年冻土厚度变化;进一步综合季节冻土及多年冻土桩基工作状况的不同,结合已建立的考虑温度变化的桩土相互作用模型,基于现行规范的单桩承载计算公式并考虑不同的土性物理参数的基础上,最终建立大气温度变化与桩基承载力相关方程,预测桩基承载力变化状况。以上研究方法可运用于冻土区桩基承载力初步预测。     

青藏直流输电工程粗粒冻土地基温度监测与分析

为分析青藏直流输电线路工程冻土地基的冻结情况及其对基础安全稳定性的影响,在青藏高原五道梁地区对装配式原型基础冻土地基进行1个冻融过程的地温监测,结合该地区气温资料,分析粗粒冻土地温随时间变化特点和沿深度分布情况。监测结果显示：地温呈周期性波动,振幅随深度增加而减小,原状和回填冻土地基上部均存在冻融状态交替的冻融活动层;监测期内基础底部冻土处于冻结状态,基础安全稳定;原状和回填冻土最大融化深度分别为3.0和3.2 m,通过建立地温估算公式,并利用地温变化幅值、均值等结果,得到原状多年冻土上限为3.1 m,与工程勘测和监测结果一致;建立冬季时高孔隙率回填冻土地基传热方程,分析地基传热性能和与孔隙率直接相关的地基中空气自然对流速度对地基回冻的影响。研究表明：冻土回填扰动加剧地温波动的振幅和增大冻土融化深度,但影响程度和范围有限;输电线路冻土装配式基础冬季施工,在冻融活动层深度内保持地基适当孔隙率,既可在冬季加速地基回冻,又可利用土体自然固结和融沉,提高压实度,从而在暖季减弱热量向地基深部扩散,有利于地基保持冻结。     

青藏铁路块石路基结构的冷却效果监测分析

块石路基是青藏铁路积极保护多年冻土极为重要工程措施之一,60%的高温高含冰量路段采用了这种工程措施。通过对青藏铁路沿线块石路基下部土体温度监测分析,块石路基正在积极地发挥冷却路基的工程效应,极大地促进了多年冻土上限的抬升,但也引起了多年冻土温度升高。多年冻土温度升高随着工程热扰动的降低和块石路基"冷量”积累,已逐渐被抑制。然而,对于低温多年冻土来说,块石路基下部多年冻土上限附近温度有了较大的“冷量”积累,多年冻土正在朝着有利于热稳定方向发展。对于高温多年冻土来说,尽管多年冻土上限也得到了较大幅度的抬升,但升温过程和土体年收支的不平衡都在朝着不利于多年冻土热稳定方向发展。块石路基结构在高温多年冻土区适应性问题仍值得讨论,应采取相对应的补强措施,确保高温多年冻土区路基稳定性。     

多年冻土地区热管冷却路基数值分析

热管是一种利用液汽相的转换对流循环来实现热量传输的系统 ,是无源冷却系统中热量传输效率最高的装置 ;本文对采用热管冷却路基的方法进行数值模拟分析 ,对布设不同间距热管对路基冻土上限的影响进行了分析 ,得到了热管对冻土路基温度场影响的一般规律 ,并对确定热管布设间距的基本方法提出了建议。     

An experimental investigation on passive cooling system comprising phase change material and two-phase closed thermosyphon for telecom shelters in tropical and desert regions

Advances in information technology have made the thermal management of telecommunication equipments more challenging over the past several years. As advances are being made the electrical energy consumption of telecommunication equipments is ever increasing and thereby increasing its dissipation rate. In addition such shelters are installed in remote areas, so cooling of telecom shelters becomes a great challenge for thermal engineers. A field study revealed conventional cooling systems are not so effective in terms of energy consumption and in the absence of power grid, shelters installed in such areas require additional capital cost to provide power for cooling system. A new passive cooling system incorporating phase change material (PCM) and two-phase closed thermosyphon (TPCT) heat exchangers has been developed and experimented to provide thermal management for telecommunication equipments housed in telecom shelters. The newly developed thermal system absorbs the equipment dissipated heat during the hottest part of the day, stores it as latent heat and releases it through thermosyphons during the night to the ambient.     

发卡式热棒—隔热层复合路基在多年冻土区应用研究

基于已有单一路基调控措施作用效果分析,提出发卡式热棒一隔热层复合路基调控工程措施,对复合调控措施作用机理、发卡式热棒结构设计、复合调控措施路基结构设计等进行了探讨,介绍了复合调控工程措施实体试验工程监测方案、施工过程及施工质量控制要点.观测数据表明,复合路基调控工程措施能使隔热层有较大热阻,减少路基体暖季吸热,热棒冷季能主动对流换热冷却路基的各自积极因素进行综合利用,在降低路基温度场方面效果明显,起到全年减少路基体吸热的积极作用,有利于保持多年冻土路基稳定.     

青藏高原热融湖对冻土工程影响的数值模拟

热融湖的侧向热侵蚀对周围冻土工程产生较大影响。在柱坐标下,运用带相变的数值热传导模型,预测了热融湖影响下冻土路基的地温场发展状况和可能造成的工程病害。预测结果表明：在不考虑湖岸坍塌后退、面积扩大的情况下,热融湖对冻土路基的热影响主要受湖底年平均温度和湖边到路基的距离两个因子的影响。湖底年平均温度越高,对路基的热影响越严重;湖边到路基的距离越近,对路基的热影响亦越严重。突出的表现在坡脚、路基中心平均地温升高和融化夹层在水平、竖直方向的发展。如果考虑热融湖的湖岸坍塌后退,实际增温要比模拟的结果更明显,影响更严重。     

青藏铁路沿线热融沟发展特征及其对路基热稳定性的影响

热融沟是多年冻土区常见的一类热融现象,其本身的沉陷及其侧向热侵蚀会对冻土区路基工程造成危害。随着气候变暖及人类活动的不断增加,热融沟的危害将是冻土路基工程病害防治必须面对和解决的重要问题之一。以青藏铁路现行里程K980+000处路基西侧一典型发育的热融沟为研究对象,通过对地温和变形监测的结果表明：该热融沟在两年内下沉了近15 cm,下沉速度约7～8 cm·a^-1,下沉主要发生在每年8～10月。热融沟沟肩不断向沟内滑移,0.5 m深度的水平位移大约是5 cm·a^-1。热融沟年平均地温高于该地区天然孔平均地温约0.5℃,热融沟每年从4月开始吸热,吸热期233 d,单位面积吸热约为3300 kJ·m^-2。热融沟对附近冻土路基产生较大影响,每年侧向进入路基的热量达近70000 kJ,从而可能会导致冻土路基温度升高,稳定性降低。     

冻融循环条件下土的融沉性质试验研究

多年冻土地区路基病害主要由冻土土体在季节变化条件下的冻融循环造成的。因此,本文结合青藏铁路清水河、北麓河试验段土质条件,通过室内试验探讨和研究了不同土质在不同含水率、密实度、荷载条件下,反复冻融过程中的融沉特性。并探讨了循环融沉系数与融沉系数的关系及表达式,为进一步深化对融沉特性的认识提供了参考。