块碎石夹层结构冻土路基温度分布数值分析

为研究青藏铁路普通道碴路基和本文提出的块碎石夹层路基的温度场分布,本文将铁路道碴和块碎石夹层的对流换热简化为多孔介质的热传导问题,根据多孔介质中流体热对流的连续性方程、动量方程和能量方程,应用伽辽金法导出了多孔介质对流换热的有限元公式,并对普通道碴路基和抛石路基在未来50年的十月份温度场进行数值分析与比较。计算结果表明：在普通道碴路基中,路基下冻土的温度升高和退化,路基阴阳坡下温度的不对称性极为发育,阳坡有明显贯穿路基高温区且坡脚高温聚集,其路基结构很难保持路基及冻土的稳定性和路基的温度对称性性;而在块碎石夹层路基中,路基下冻土上限缓慢抬升且冻土地温保持良好的对称性,阴阳坡下路基温度差异较小且对称分布,坡脚没有温度聚集现象,其路基温度分布有利于保持路基及冻土的稳定性,同时说明了块碎石路基具有良好的调节路基温度的能力。     

气候变暖条件下青藏铁路新型路基结构温度场特征非线性分析

由于铁路道碴层和碎块石铺层可以看成是多孔介质,根据多孔介质流体动力学理论,针对青藏铁路的气温和地质条件对路堤高度均为5.0m的传统道碴路基和两种新型路基结构(水平抛石路基和U形抛石路基)的温度场在全球气温变化的背景下进行了分析和比较。结果表明:在年平均气温为-4.0℃,未来50年气温上升2.6℃的情况下,传统道碴路基将会引起其下伏多年冻土的严重退化;水平抛石路基能够抵消气候变暖和铁路修建所带来的负面影响,但其下部冻土温度仍处于较高状态;而U形抛石路基则可以有效降低其下部土体的温度,确保路基的稳定。因此,在全球变暖的大趋势下,推荐该种U形抛石路基作为青藏铁路高温冻土区的路基结构,以便采用优化路基结构最大限度地利用“天然冷源”来确保冻土区的铁路安全。     

冻土路基护道地温特征研究

一般地区路基工程设置护道是从边坡的力学稳定性方面考虑的，青藏公路整治改建期部分路段设置护道隔阻路基坡脚处积水，护道因具有保温作用而被称为可保温护道，青藏铁路建设参照青藏公路也设置了保温护道。为研究护道对冻土路基温度特征的影响，根据青藏公路试验工程地质特点，运用数值模拟方法计算路基温度场，并进行试验工程测温孔实际观察数据的对比分析，系统地研究了冻土路基护道地温特征变化规律。研究结果表明：设置护道对人为上限、年平均地温及融化盘等路基地温特征影响有限，但融化深度、年平均地温均表现为增大趋势；高温冻土区护道会加剧路基下冻土退化；冻土路基护道不应作为提高路基热稳定性的主要措施。     

多年冻土区片石护坡路基热稳定性的分析

为研究片石护坡对冻土路基稳定性的影响,建立了冻土路基温度场的三维数值计算模型,并采用有限元方法对普通路基、片石护坡路基在未来50年内气温上升2．6℃情况下的温度场进行了预报分析和比较。计算结果表明：路基阴阳坡的热差异会导致路基下伏土层温度场不对称,由此可引起路基横向的不均匀变形;在气温升高条件下,未来50年内普通路基将会产生较大融沉变形,片石护坡路基融化深度均小于普通填土路基的融化深度,阴阳坡温度差异也有明显降低。随着时间的推移,片石护坡路基对于提升冻土上限起到了一定作用。片石护坡对路基左侧、右侧的上限抬升幅度存在差异,路基左侧0℃等温线的抬升相对于右侧的上升幅度小。     

多年冻土区道碴、通风管结构铁路路基室内试验研究

分析了路基典型部位的温度随时间的变化情况及整个路基中2个典型断面的温度场特征。结果表明:沿着风向方向,路基温度场呈不对称分布;通过通风管中心的断面和位于两根通风管中间的断面温度场在同一时刻相似;随着时间的推移,路基土体的温度有明显的降低,最大融化深度在逐渐减小,说明通风管结构形式能有效地为路基提供冷能,维持路基的稳定。     

多年冻土区加宽路基温度场分析

分别针对8.5 m宽的具有混凝土路面和沥青路面的路基拓宽改建成17.0 m宽的具有沥青路面的路基温度场分布特性进行研究。研究发现,路基加宽后会加剧原冻土路基的多年冻土退化,使多年冻土上限下降速度加快。混凝土路面的路基加宽后形成的新路基温度场的对称性较好,在新路基下部形成关于新路基中心轴线对称分布的融化盘;而沥青路面的路基加宽后的新路基温度场对称性较差,在新路基下形成倾斜的融化盘。沥青路面的路基加宽后,其加宽部分路基中心处冻土上限高于原路基中心处,随着时间的增长,两者差距越来越小;但随着加宽时间的推迟,这种差距越来越大。沥青路面的路基加宽后形成倾斜的融化盘易使路基产生横向不均匀沉降,形成纵向裂缝,这种现象应引起重视。     

利用抛石护坡调节冻土路基阴阳坡的温度分布

由于铁路道碴和片石铺层的对流换热为多孔介质的热传导问题,为解决青藏铁路抛石护坡路基温度的计算问题,根据多孔介质中流体热对流的连续性方程、动量方程和能量方程,应用伽辽金法推导出了多孔介质对流换热的有限元公式,对具有阴阳坡的抛石护坡路基和普通路基在未来24a的温度变化分别进行了预报分析和比较。计算结果表明,对于阴阳坡温度相差1．8℃的普通路基,在阴阳坡增加片石直径为10cm,厚度分别为80,160cm的抛石护坡,就能达到使路基温度对称分布的目的,消除由于阴阳坡温度差的作用而造成路基下冻土上限不对称分布、引起路基的不均匀沉降以及形成路基纵向裂缝的病害。因此,应大力推荐该种路基作为青藏铁路冻土区有阴阳坡路段的路基结构,以便最大限度地保护冻土区的铁路。     

路基保温护道对多年冻土地区公路改建的预拓宽效应分析

为了研究保温护道对拓宽路基温度场的先期影响,根据青藏公路保温护道试验路观测数据,对冻土地温和冻土上限变化过程进行分析,通过建立拓宽路基有限元模型,在考虑护道对冻土层产生先期影响的基础上,计算路基拓宽对路肩下多年冻土热稳定性的影响。结果表明:阳坡侧的保温护道加速了下伏冻土层的退化,高温冻土区阳坡侧的护道对冻土层的影响大于低温冻土区,阴坡侧护道对冻土层热稳定性影响较小;阳坡侧护道对冻土层产生预融效果,使得阳坡侧路基拓宽后路肩下冻土上限未出现明显下降,产生一种预拓宽的效应,对拓宽路基稳定性有利;阴坡侧护道对路基拓宽热稳定性影响较小,无论先期有无护道,路基拓宽后路肩下冻土上限变化过程无明显差异。     

基于FLAC3D的季节冻土路基冻融变形分析

为了研究季节冻土路基温度场及变形场的动态变化规律,利用FLAC3D软件及内嵌的FISH语言,编写了路基计算参数随温度变化的程序,对兰新二线典型冻土路基的冻融变形问题进行了更准确的模拟分析。通过建立路基计算模型,对路基温度场与实测资料进行了对比分析,验证了模拟方法的有效性与可靠性;通过模拟不同高度的路基在冬、夏季时的冻融变形情况,得出路基高度H是影响冻土地区路基热稳定性的重要因素。研究表明:路基高度H不同,路基上各点的冻融变形随时间的变化规律相同,而变形量均不相同;冻融引起的路基表面和内部沿深度方向各点的变形差别很大;最后通过比较得到既符合路基稳定性又符合工程经济性的最佳路基高度,对冻土路基的设计和施工有一定指导意义。     

多年冻土区铁路保温路基变形特征研究

冻土具有极为特殊的工程地质性质,修建其上的路基将不可避免地发生变形,甚至是破坏。为保证道路畅通,冻土路基在满足热稳定性要求的同时,道路路基的变形也必须满足设计规范要求。基于青藏铁路北麓河保温路基的地温、变形监测资料,分析路基地温、变形特征及其相互关系。研究结果表明,冻土路基的变形和其下地温场状况密切相关,地温场状况及其变化控制和决定着冻土路基变形场的状况。多年冻土地温升高产生的冻土压缩变形是导致保温路基持续较大变形的主要原因之一,在冻土路基变形研究中不可忽略。而冻土融化产生的变形是冻土路基变形的主要因素。基于实际监测数据分析结果,考虑到温度对多年冻土地区土体力学性质的强烈决定作用,建立冻土路基热弹塑性融沉压缩本构模型,进行温度场和变形场的单向耦合分析。计算结果表明,当该地区年平均温度较低、在路基高度较小的情况下,铁路保温路基的变形较小。相反,在该地区年平均温度较高,路基高度也较大的情况下,冻土路基的变形较大,这也和监测结果相符合。     

碎石铺设位置及粒径对路基降温效果影响的室内试验

为了考察粒径及铺设位置对多年冻土区碎石路基降温效果的影响,采用碎石、卵砾石和砂砾石三种材料在单一结构、复合结构和混合结构三种情况下,在尺寸为50 cm×50 cm×65 cm 的绝热箱体内进行了顶面气温周期性波动的一维传热试验。试验结果表明,碎石粒径为2⁴ cm、4⁶ cm、6⁸ cm 和10¹5 cm 的单一结构碎石体中均可产生自然对流机制,其中以碎石粒径为4⁶ cm 的碎石体降温效果最佳。采用不同粒径的混合结构或有上覆砂砾石和卵砾石层的复合结构都将削弱降温效果。碎石体的平均温度随碎石厚度增加而降低。为充分利用自然对流机制,多年冻土区应采用单一粒径为4⁶ cm 的碎石铺设路基,不应采用不同粒径的混合结构。碎石层应铺设在路基顶面。     

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。     

高海拔多年冻土地区宽幅沥青路面-路基体系#br# 热效应实测分析

为明确中低纬度高海拔多年冻土区“宽厚黑”路面结构和路面类型对路基路面体系温度场的影响规律,在青藏高原高温多年冻土区分别铺筑了窄幅和宽幅沥青路面-路基温度场监测试验段,对两种尺度路基路面体系不同深度和横向位置处以及天然大地不同深度处温度状况进行3年连续观测和统计分析。结果表明：宽幅路面沥青层年温度波动幅度高于窄幅路面,且波动幅度差异随路面结构层深度增加而减小;新建公路路基填土会经历持续2年以上的初期冻融放吸热不稳定阶段;高填方宽幅沥青路面-路基体系吸热面积与散热面积的同时增加导致宽幅路基路面体系不同横向位置和深度处温度场更为复杂;沥青路面宽度从5m增加到24.5m导致最大融化深度增加量在1.5~2.0m。在中低纬度高海拔多年冻土区设计宽幅公路路基填土高度时应考虑具体路基断面特点,计算极端天气下的宽幅路基路面体系从建设期到稳定期的温度场,保证阳面路肩一侧融化深度始终满足要求     

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。     

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。     

退化性多年冻土地区公路路基地温和变形规律

 青藏高原多年冻土地区公路路基地温、变形监测资料表明,在工程活动和气候变暖双重作用下,路基下多年冻土普遍存在着上限下降和地温升高等特征退化,从而产生了以融沉为主的公路路基病害。基于青藏公路唐南段和青康公路K369段路基地温和变形的现场监测资料,总结退化性多年冻土地区路基的两类典型变形——横向不均匀变形和横向均匀变形规律,并分析路基地温、变形特征及其相互关系。结果表明,多年冻土地区路基的稳定性,最终取决于路基下伏冻土的地温变化和含冰量状况,其温度状况和路基路面的变形紧密相关。对于横向不均匀变形路基,多年冻土地区路基温度场的不对称性导致路基下多年冻土人为上限在路基下差异巨大,土层冻融状态的不对称最终引发路面变形在横向上的差异。退化性多年冻土区横向变形不均匀路基全年以沉降变形为主,且左、右沉降量差异较大,易于诱发纵向裂缝病害。对于横向变形均匀路基,退化性多年冻土地区公路路基变形以下沉变形为主,绝大部分路段没有明显的冻胀变形过程或冻胀变形很小,基本表现为年际的均匀沉降变形。横向变形均匀路基横向上变形比较均匀,年变形量相差不大,路基变形对路基稳定性和路面的影响较小。由于沿路基走向工程地质条件的差异,可能会形成局部沉降或波浪沉降变形病害。     

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。     

柴木铁路热棒试验断面冷却效果研究

柴达尔至木里铁路是青海省地方铁路,全线均有多年冻土分布,依据青藏铁路热棒应用的成功经验,其部分路段施行了热棒冷却措施。不同于青藏铁路沿线气候和冻土条件,柴木铁路热棒应用效果有待于检验。设置三个试验断面,分析了气温条件,比较研究了热棒和无热棒路基地温变化的不同,结果表明:(1)柴木铁路大风频繁、气温低、温差大的气候条件有利于热棒的应用;(2)无热棒断面路基地面深度3 m以下地温波动较小,长期稳定在-1 ℃附近;(3)在第二个冻融周期的冬季,热棒能够有效地降低路基温度;(4)热棒断面路基第二年的冬季降温效果非常显著,冻土上限最大抬升了1.5 m。热棒冷却措施能够保障柴木铁路多年冻土路基稳定,为铁路的正常运营提供保证。