通风路基主要影响因素及应对措施研究

结合实测资料,通过模拟计算从传热角度就通风路基降温效能的主要影响因素进行分析。研究发现,在管道通风路基中,管间土体存在较强的热流向下传热,通风管间距是影响降温效能的重要因素之一。在公路沥青路面条件下,由于路面的强烈吸热作用,通风路基的降温效能被极大削弱,环境升温和设计不当都可能造成工程措施的失效。针对这一问题,提出宽幅通风新型工程措施。模拟计算结果表明,该种新型路基具有高效、快速的降温效能。在沥青路面条件下,该种措施实施3 a后,-3 m深度的地温就已低于原天然地表下的温度,冻土人为上限在快速达到路堤底部约-0.5 m深度后,完全维持稳定。该种措施还成功解决路基地温场的非对称性难题,进一步增强路基的长期稳定。这些结果对我国多年冻土区高等级公路的建设和关键工程问题的解决具有重要意义。     

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。     

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。     

季节性冻土地区高速铁路路基地温分布规律研究

 研究路基及周边地区土体地温的分布规律是季节性冻土地区高速铁路路基的稳定性分析的重要基础。结合哈大(哈尔滨--大连)高速铁路双城地区3 a的现场监测数据和气温资料,分析坡脚、天然位置及路基不同位置的地温分布规律。在此过程中,利用地温振幅、平均地温等结果,建立相应的地温估算公式,为确定数学模型的基本边界条件提供依据。建立非稳态相变温度场的数学模型,研究路基地温随时间的变化特点和沿深度的分布规律,并预测地温场的变化趋势。现场监测和模拟计算结果表明：地温分布规律主要与土体构成、土体热扩散能力、气候和位置等因素有关。季节性冻土地区高速铁路路基最终形成较为稳定的季节冻结层,相对稳定的地温和不对称的地温场。路基阴阳坡地温场的不对称,可能导致路基横向差异变形和纵向的不均匀变形,进而影响路基的稳定性。     

青藏铁路粒径改良路基温控效果分析

基于青藏铁路北麓河粒径改良路基试验段地温监测资料,分析了粒径改良路基地温变化规律及其温控效果,并同其他保护冻土措施进行了对比分析。结果表明：在一定深度范围内,粒径改良路基地温呈现年季变化、呈正弦曲线变化特征;同普通路基相比,在年平均地温曲线方面表现出具有冷却路基,保护冻土的效果;同普通通风路基相比,粒径改良路基虽在冷季冷却效果弱于通风路基,但在暖季热屏蔽效果好于通风路基,从年平均地温方面已表现出较好的保护冻土的态势,是一种积极主动的保护措施。     

热管及保温材料在青藏直流联网工程中的应用研究

针对青藏直流联网工程塔基热管措施应用效果,通过现场实测资料确定了热管年内工作周期及混凝土桩基表面热效应,考虑无绝热段热管传热过程组成,建立空气-热管-土体耦合传热数学模型,利用有限元方法系统模拟不同年平均地温分区锥柱式塔基传热过程及气候变暖背景下基础周围多年冻土热状况发展变化趋势。结果表明：冷季热管工作期间,其对周围土体冷却降温效果显著,同时由于混凝土塔基为热的良导体,热管产生的“冷量”通过基础及其底座快速向基础周围传递,使得基础下形成大范围低温冻土。暖季,热管停止工作期间,由于基础埋设较浅,混凝土塔基良好的导热性能使得其周围浅层土体温度升温较快,量值基本与天然地表下同一深度接近,而基础下部深层地温则主要受热管作用控制,温度较低。在单一塔腿4根热管及50 a气温升高2.6℃背景下,-1.0℃、-1.5℃两种年平均地温条件下,桩基础下部多年冻土仍保持冻结状态,满足工程对于冻土地基热状况的要求。-0.5℃年平均地温条件下,运营后期桩基础周围土体季节融化深度已大于桩基埋深。在该地温条件下,通过热管-保温板复合措施的采用,可有效发挥热管的“冷却降温”及保温板的“隔热保冷”效能,在大幅减小基础周围土体的最大季节融化深度的同时降低锥柱式基础底部深层地温,进而满足工程需求。     

开放和封闭条件下块石结构路基下部土体降温效果差异

块石结构路基以其独特的冷却路基作用，正在发挥着良好的降低多年冻土温度作用。但块石结构层被风沙或积雪堵塞后，路基下部多年冻土降温效果变化一直是人们极为关注的问题。为此，开展了开放和封闭条件下块石结构路基下部多年冻土降温效果差异的现场试验研究，对比分析开放和封闭条件下路基下部土体温度的变化特征。试验结果表明，开放状态下块石路基具有较强的强迫对流效应，封闭状态下块石路基强迫对流效应较弱，这一差异导致了开放条件下，块石结构路基下部土体降温效果比封闭条件下要好得多。从路基下部0．5～1．0m深部土体温度来看，二者间夏季差别不大，冬季最低温度要相差5℃左右。从块石路基下部土体降温的影响深度来看，开放条件下土体降温的影响深度可达6．0～10．0m，封闭条件下土体降温影响深度仅为1．5～3．0m。     

青藏铁路多年冻土区块石路基碎石护坡工程效果研究

青藏铁路多年冻土区路基工程的修建,改变了路基基底多年冻土的热量平衡状态,引起了地下温度场的重新分布。文中对青藏铁路楚玛尔河段的块石路基碎石护坡实验段1年地温进行分析,研究了该种工程措施对降低地温温度保护多年冻土,平衡路堤阴阳坡温度场差异的工程效果。研究结果表明:块石路基碎石护坡对冻土的保护效果非常明显。     

自动温控通风路基应用效果分析

自动温控通风路基是“冷却路基”的一种有效措施，并经历了青藏铁路北麓河试验段半年多的现场检验。结果表明，对于30，40cm两种管径的通风管在实施自动温控系统控温后，分别使原多年冻土上限抬升0．3，0．7m，到达最大融化深度的时间均提前20d，延长路堤的放热时间约1个多月，分别降低通风管下部平均地温1．2℃，1．7℃，降低路基底部地温0．5℃，0．7℃。通过热计算，在进入多年冻土含土冰层热通量最大月份，自动温控通风路基降低热通量约一半左右。通过2种管径的降温效果对比，30cm管径的降温效果略好于40cm管径的降温效果。自动温控通风路基结构中路堤降温速率大于通风路基的主要原因在于自动温控路基具有降温机制。     

不同厚度块石路堤对冻土路基冷却效果对比研究

用数值模拟的方法计算了同一工程环境下块石路堤不同块石厚度情况的路基温度场随时间的变化。对比分析显示:块石路堤均具有主动冷却路基的作用;由于边坡效应的存在,对一定的工程环境和设计,块石路堤存在最优块石厚度,使冻土路基的冻结强度和多年冻土上限抬升达到最佳。块石太薄,块石中空气的循环达不到最大制冷能力;块石太厚,边坡效应将导致空气的对流存在多向流动环,反而使隔热和制冷能力均减弱。     

降雨增加对多年冻土区铁路路基水热影响研究

近50 a青藏高原湿化趋势显著,降雨变化导致地表能量平衡过程、活动层水分状况和水热输运过程改变。以青藏高原北麓河铁路路基试验段水分监测为基础,基于土壤–地表–大气能量平衡的冻土水–汽–热耦合模型研究在未来降雨变化情景下,降雨对冻土路基水热的影响机制与过程。结果表明:近6 a路基水分监测显示,虽然青藏高原年降雨量变化较大,夏季降雨引起土体表层水分短期显著波动,但长期路基含水量并未明显累积,路基蒸发、液态水与水汽运移显著;在未来湿化背景下,年降雨量增大导致地表潜热增大地表土壤热通量减小,降雨增大导致的热传导通量减小量比液态水对流热通量增大更大,人为冻土上限抬升;降雨增加缓解了路基工程对下伏多年冻土的热扰动,但降雨增加导致活动层水分累积,增大路基冻胀和融沉灾害风险。     

透壁式通风管–块石复合路基降温效果模型试验及数值模拟

为研究透壁式通风管–块石复合气冷路基的降温效果,针对年均气温-3.5℃,平均风速2.5 m/s,主导风向为西北方向的高原环境条件开展了室内模型试验,对比分析了单一块石路基和透壁式通风管–块石复合路基的孔隙空气对流速度、特征点地温及模型整体温度场变化过程。试验结果表明:在透壁式通风管的疏导作用下,通风管与块石层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%,使得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。建立了透壁式通风管–块石复合路基数值计算模型,对通风管内空气流速分布、路基温度场变化进行了预测分析。结果表明:空气流速在通风管中心达到最大值4.06 m/s,在管壁处流速出现跃变陡降,在块石介质区域里速度的数量级为10-1,与室内试验的结果较为一致。模型试验和数值计算结果均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。     

透壁通风管路堤的降温特性研究

通过不同因素对透壁通风管路堤降温特性影响的室内试验研究,结果表明,透壁通风管的开孔率对路堤降温效果的影响比较明显,总体上,随着管壁开孔率的增大通风管路堤降温效果也随之增强,由于透壁通风管通风期间水分蒸发而产生蒸发耗热,从而使路堤土体温度降低,通风管材料对降温效果也有一定的影响,另外透壁通风管路堤仅负温通风时的降温效果整体上强于整个温度波动期间均通风时的降温效果。     

青藏高原东部高温多年冻土区路基热稳定性模拟分析

根据青藏高原东部地区高温多年冻土地段的自然地理及地质水文条件,利用部分试验路段的实测资料,对该区在分别修建不同高度的沥青、水泥混凝土、砂砾路面后路基的热稳定性进行了模拟分析,根据计算结果就不同路面类型在该区高温冻土地段的适用性进行了探讨。     

柴木铁路多年冻土路基工程措施效果对比研究

为保护多年冻土区铁路路基稳定性,青藏铁路采用了诸如通风路基、块石路基、热棒等一系列主动保护措施,这些措施为保证青藏铁路路基稳定性起到了很好的效果。为研究这一系列主动保护措施在高温、高含冰量沼泽湿地多年冻土区的应用效果,本文选取年降水量较大、地温较高的柴达尔—木里铁路(柴木铁路)江仓段(DK92+000～DK99+500)作为观测场,该观测场主要采用了块石路基和热棒两种主动保护措施。通过分析块石路基、热棒路基及无措施路基试验断面2007年至2010年的测温结果,结果表明:在高温、高含冰量沼泽湿地多年冻土区,铁路路基采用块石路基、热棒措施对保护其下部多年冻土较无措施路基作用明显,块石路基和热棒路基试验断面下多年冻土上限抬升、地温降低,同时,对东南—西北向路基采用左侧两排、右侧一排热棒的不对称布设方式起到消除路基下部温度场不均匀性的作用。     

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。     

花石峡连续多年冻土区湿润性地段路基稳定性模拟分析

根据２１４国道花石峡长石头山连续多年冻土湿润性地段的自然地理及地质水文条件,对该区在分别修建不同高度的沥青、水泥混凝土、砂砾路面后路基的稳定性进行模拟分析与试验路段的实测性对比。     

多年冻土区黑色沥青路面公路路基吸热特征

为了研究冻土路基的吸热特征,对青藏高原多年冻土区的黑色沥青路面公路工程进行了现场试验监测。利用监测的地温数据,基于热传导理论计算分析了冻土路基的热量收支特征,并通过数值模拟研究了路基高度与宽度对热量收支的影响。研究结果表明:(1)路基的填筑会造成地基热量收支幅度减小,净吸热量较同深度的天然地层明显增大;(2)路基在当年10~12月以及翌年1~2月放热,在当年3~9月吸热,总体而言在一个完整的冻结融化周期内(一年)路基的累计吸热量大于累计放热量,净吸热量约为42.6 MJ/m²·a,路基的净吸热量在冻土上限以上的地层及路基填土中耗散约50%,以下占50%;(3)在路基高度一定的情况下,随着路基宽度的增大,地基的净吸热量也逐渐增大,但增加的幅度逐渐减小;(4)在路基宽度一定的情况下,随着路基高度的增大,地基的净吸热量逐渐减小。