多年冻土区气冷路基长期热稳定性研究
由于全球气候转暖和人类工程活动日益加剧，多年冻土退化加快，这使多年冻土区的工程建设更加困难。在多年冻土区为了确保道路的长期稳定，块碎石路基与管道通风路基通常被采用，由于这两种路基都是通过调节大气与路基间的对流换热来实现对路基自身及其下部地基土的冷却降温作用，因此将这两种路基统称为“气冷路基”。本文采用试验和数值模拟相结合的研究方法，以青藏铁路工程为依托，对多年冻土区块碎石路基和管道通风路基这两种气冷路基的降温效果及长期热稳定性进行了深入系统的研究，以期能够为解决寒区道路工程建设中路基合理结构、设计参数以及病害防治等关键技术问题提供科学依据。得到的主要结论如下：
(1)为了查明块碎石层的传热特性，通过室内试验对不同形状块碎石层在封闭和开放条件下的降温效果和降温机理进行了研究。研究结果表明，在风的作用下，边界状态对块碎石层降温效果和降温机理有着决定性的影响：封闭边界的块碎石层，当满足一定条件时内部可发生自然对流，具有明显的热半导体特性；而开放块碎石层的热量传递主要是依靠强迫对流，热半导体特性不显著。研究还发现，顶部封闭方形块碎石层底部温度周期较差很小，最佳降温粒径范围约为20～30cm；而对于顶部开放方形块碎石层，随着粒径的增大，底部温度周期较差增大，但周期平均温度降低。用于护坡的开放倾斜块碎石层在考虑太阳辐射增温的条件下，粒径在6～30cm范围内，迎风条件下主要以强迫对流换热与接触热传导为主，降温效果随粒径的增大而加强；而背风条件下，在环境温度较低时自然对流换热也同样发挥着较为重要的作用，在粒径为21～23cm时降温效果最好。
(2)基于多孔介质中不可压缩流体对流的连续性方程，非达西流动量方程及能量方程，考虑外界风的作用，建立了多年冻土区开放块碎石路堤对流换热数学模型，并通过与现场实测资料的对比证明了模型是合理可靠的。然后，对青藏铁路多年冻土区开放块碎石路堤的速度场及未来50年的温度场进行了数值研究。结果表明：开放块碎石路堤以强迫对流换热为主；在年平均气温为-4.0℃，考虑未来50年青藏高原气温升高2.6℃条件下，开放块碎石路堤在修筑完成后的短期内均不能有效消除由于路堤填筑所带来的热量和阻止下部冻土升温，但对下部多年冻土均具有积极的保护作用，并且不同的结构形式长期热稳定性不同：1)传统道碴路堤不利于冻土的保护，将会引起其下部多年冻土的严重退化；2)开放块碎石夹层路堤降温效果及长期热稳定性较好，并且较高块碎石夹层路堤的降温效果好于较低块碎石夹层路堤，这主要由于较高路堤底部较宽，块碎石层的强迫对流换热更容易发挥作用，进而对下部冻土产生更显著的冷却作用。但由于主导风向的影响，较高路堤下温度场出现较严重的左右不对称问题，而较低路堤则无此现象发生；3)开放块碎石护坡路堤对下部多年冻土也具有积极的保护作用，但降温效果主要集中在坡脚，路堤中部相对较弱，长期热稳定性相对较差。
(3)由于边界状态的差异，封闭系统内部对流和传热模式与开放系统截然不同。因此，根据多孔介质中不可压缩流体热对流的连续性方程，动量方程(非达西流)及能量方程，建立了多年冻土区封闭块碎石路堤的对流换热模型，并以室内试验研究结果证明了模型是合理可靠的。运用本模型对青藏铁路多年冻土区封闭块碎石路堤的速度场及未来50年的温度场进行了预测分析。研究结果表明，封闭块碎石路堤内部空气以自然对流为主；在年平均气温为-4.0℃，考虑未来50年青藏高原气温升高2.6℃条件下，封闭块碎石路堤在修筑完成后的短期内也不能有效消除由于路堤填筑所带来的热量和阻止下部冻土升温，但同样对下部冻土具有积极的保护作用，并且不同的结构形式降温效果和长期热稳定性存在明显差异：1)封闭块碎石夹层路堤随着块碎石层上部填土厚度的增加，内部空气自然对流减弱，降温效果变差，当填土过厚时其长期热稳定性不易得到保证；2)封闭块碎石护坡路堤的降温特点为坡脚处降温效果较好，中部相对较弱，长期热稳定性不理想；3)封闭U形块碎石路堤能够有效保护下部多年冻土，解决路堤过高造成的热稳定性问题，确保道路的长期热稳定性。
(4)路堑结构也是青藏铁路多年冻土区一种重要的路基结构形式。通过对青藏铁路北麓河路堑试验段温度场及病害的分析，提出了保温路堑和块碎石换填路堑两种结构形式：保温路堑是在边坡与基底的换填土层中均铺设保温材料，为被动保温措施；块碎石换填路堑是在边坡换填土层中铺设保温层，基底以块碎石换填，是一种主动冷却措施。研究结果表明，在高温多年冻土区或退化型低温多年冻土区修筑路堑时，块碎石换填路堑可以作为一种能够有效保护下部多年冻土的结构形式，并具有较好的长期热稳定性。
(5)运用对流、传导及流-固耦合传热理论，建立了管道通风路堤三维非线性气-固耦合传热模型，并以野外实测资料证明了模型是合理可靠的。本模型解决了通风管内外空气的对流换热以及管内空气与管壁间的耦合传热计算问题。数值模拟表明，管道通风路堤(通风管间距2.0m，内径40cm，管轴线距天然地面1.0m)在初始年平均气温为-4.0℃，未来50年青藏高原气温升高2.6℃条件下，可有效降低下部冻土温度，确保道路的长期稳定。
气冷路基
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
博士
自然地理学(寒区岩土工程)
赖远明
2007
中文
U416.16
162
2011-05-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）