青藏铁路块石护坡温度场及路基冷却作用机理分析

主要通过非正线实体工程试验段块石护坡层内热量传递过程监测,对块石护坡结构冷却路基的作用机理进行研究。研究结果表明,块石护坡结构具有隔热保温和空气自然对流效应。随着气候条件昼夜温差和季节性温度变化,块石护坡层内隔热保温和自然对流效应表现出了昼夜、季节性交替组合过程,这一交替组合过程引起了块石护坡层内热量传递过程变化,从而影响块石护坡下部多年冻土热状态。路基下部土体热状态分析表明,块石护坡结构能够有效地降低路基下部土体温度。     

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。     

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。     

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。     

块石路堤上覆砂砾石厚度对冻土路基冷却效果的影响研究

用数值模拟的方法得到不同上覆砂砾石厚度的块石路堤及普通路堤作用下铁路路基的温度场,通过对比分析显示:块石路堤相对于普通路堤能明显提高路基下多年冻土上限,降低多年冻土地温,有较强的主动制冷作用;块石上覆砂砾石厚度的增加,会减弱块石的制冷作用,降低路基多年冻土上限;当砂砾石大于某一厚度时,中部一定范围的块石几乎丧失主动制冷能力,多年冻土地温逐渐升高,这对路基稳定及冻土保护极为不利。考虑全球气候变暖趋势及高路堤带来的高荷载影响,建议块石路堤上覆砂砾石不要太厚,应寻求制冷与多年冻土上限抬升两者兼得的最优厚度。     

青藏铁路冻土区开放块石护坡路基降温机制研究

开放块石护坡路基是青藏铁路所采取的冷却地基保护冻土的一种主要措施。针对青藏铁路北麓河试验段现场的气温条件和地质条件,对北麓河试验段开放块石护坡路基在昼夜间和冷暖季的温度场、速度场和热流量进行分析和研究,探讨其降温机制。研究结果显示,块石护坡在暖季夜间存在一定的降温效果;块石护坡暖季由于遮阳作用存在热屏蔽效应,冷季放出的热量大于暖季吸收的热量,有利于保护冻土;块石护坡的主要换热方式是强迫对流换热,自然对流换热较少;块石护坡降温效果产生的主要机制是块石护坡的遮阳作用和块石护坡内空气在昼夜间、冷暖季流动速度的差异而引起的不平衡强迫对流换热。     

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。     

青藏铁路安多段多年冻土层路基稳定性监测

介绍青藏铁路高原冻土区路基稳定性监测及实施方法，并结合试验段工程，探讨高原多年冻土区铁路路基稳定性监测的注意事项、技术关键，为高原冻土区的路基稳定性评价提供可靠依据。     

青藏铁路清水河试验段路基裂缝初步分析

经过一个冻融循环,青藏铁路清水河试验段出现了较多裂缝.不同工程措施的路基产生不同数量的裂缝.通过清水河试验段路基裂缝的详细调查资料,分析了裂缝产生的原因,并对裂缝进行了分类.同时分析了不同工程措施的路基裂缝产生情况.     

青藏高原多年冻土区铁路加筋路堤的变形特征研究

在青藏铁路某冻土路段设计了加筋试验和无加筋试验两种方案,对该路段冻土路堤和地基的温度、沉降变形、水平位移等进行较全面的监测,分析了加筋和无加筋冻土路堤的地温变化和变形特征。结果表明,由于加筋后土体的受力更均匀,采用土工格栅的加筋路堤土体的变形比未加筋路堤土体的变形更均匀,加筋后的路堤本体变形协调能力增强,大大提高了路堤土体抗纵向裂缝的能力。     

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。     

青藏铁路高温细粒冻土地区站场路基实体试验研究

青藏铁路站场路基比一般铁路路基宽度大,为此,在清水河高温细粒土地段进行了专门的现场试验研究。通过采用不同深度处地温场变化、上限变化、阴阳坡温度变化以及积温等分析方法,对该试验段3个冻融循环过程中监测到的温度场分析,并与普通路基的温度场数据进行对比。通过分析可以看出,站场路基下人为上限的上升幅度比普通路堤要大,路基表面以下同样深度处的地温,站场路基下的地温要低于普通路堤下的地温,因此路堤宽度较大的站场路基对多年冻土的保温效果比普通宽度的路堤好。由变形观测数据看出,冻胀量较小,变形主要为沉降变形,路堤阳坡冻胀板的变形量要大于路堤阴坡相应位置的冻胀板变形量。阳坡上层冻胀板最大沉降量是0.241 m;下层冻胀板最大沉降量0.237 m,且随着时间推移,变形趋于稳定。     

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。     

高温冻土区一种新型路基护坡的冷却机理研究

笔者提出的新型块石护坡-遮阳板块石护坡是一种人造自然对流换热的主动冷却地基的工程处理措施。块石护坡内部流体的自然对流换热可看作多孔介质的传热传质问题。本文基于大孔隙多孔介质的自然对流与传导方程,对护坡层厚度、路基高度、块石粒径的合理取值进行了系统数值试验研究,并在此基础上提出了优化设计原则与方法。     

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。     

青藏高原多年冻土路基温度场公路空间效应的非线性分析

多年冻土路基温度场的公路空间效应包括路基尺度效应与路面结构效应。利用考虑冰水相变与水分迁移的热流传导等效参数模型,数值模拟公路路基不同高度、不同宽度、不同边坡坡度的尺度效应与公路沥青路面、水泥混凝土路面、砂砾路面的结构效应,分析高原多年冻土路基温度场的变化。结果表明,青藏高原多年冻土对公路空间效应反映敏感,路基尺度直接影响地基温度场的变化,路基高度、边坡坡度与地基吸热量呈负相关性,路基宽度与吸热量呈正相关性;在高原强太阳辐射环境下,沥青路面吸热对冻土地基温度场影响剧烈,沥青路面吸热量是砂砾路面的1.7倍左右。研究认为,与其它线状工程相比,公路宽幅路基、沥青路面热效应是多年冻土路基温度场改变的关键因素,未来青藏高原多年冻土区高速公路建设必须妥善处理因公路空间效应引起多年冻土地基升温融化而导致的工程稳定与安全运营问题。