高温冻土区新型路堤结构降温机理与设计原则研究
块碎石路基结构是多年冻土路基工程中一种积极的、主动的有效降温措施之一，许多研究人员对其进行了大量的研究，但是研究发现，在全球升温和人类工程活动的影响下，高温冻土区块碎石路基结构降温效果不是很理想，需要采取补强措施。研究人员提出了一种新型的复合护坡结构既遮阳板块碎石复合护坡结构，研究发现其具有良好的降温效果，但是对于其在各种影响因素影响下的降温效果，参数优化设计以及其结构稳定性等需要进一步系统深入的研究。本文针对以上问题进行了深入的研究，主要研究成果如下：
1、基础理论方面；
块碎石结构在多年冻土区路基工程中得到广泛应用，但对于块碎石多孔介质热传递理论基础还需要进一步研究，本文分区建立了块碎石护坡路基热传递数学方程，并且在块碎石多孔介质控制方程基础上引进流函数建立了块碎石热传递通用控制方程，进一步推导了纯流体区域、块碎石护坡和固体区域统一的通用控制方程，采用统一的程序模块整场求解该热传递问题。引进计算流体动力学热流固耦合问题具有较高计算效率的有限体积法，建立了不同离散格式下的离散方程。以上研究内容完善了多年冻土区块碎石结构措施计算分析的理论基础。
2、土体热参数研究方面；
在前人研究的基础上，对各种冻融土体导热系数影响因素和变化规律进行了深入的研究，丰富和发展了粉土干密度与导热系数的关系。同时建立了精度较高的导热系数多元回归二次预测模型。对于模型比较复杂的、非线性较强的高含冰量冻土导热系数建立了人工神经网络预测模型。这些预测模型的建立，为冻融土体导热系数的取值、预测提供了新的方法，完善了冻融土体导热系数的预测模型，使导热系数取值、预测更方便、准确，增强了原有热学参数的使用效率。
3、传统块碎石护坡降温效果定量研究；
通过考虑昼夜温差和冷暖季风速差异对降温效果的影响，本文对青藏铁路北麓河传统的开放块碎石护坡路基昼夜间和冷暖季温度场、速度场和热流量分别进行了数值模拟，对块碎石护坡路基的热传递特性和降温效果进行了研究，在温度场基础上结合速度场对其降温机理进行新探讨。研究发现，块碎石护坡在夏季夜间冷空气强迫对流作用下存在一定的降温效果；传统的开放块碎石护坡路基的降温效果产生的主要机理是：块碎石护坡的遮阳作用、昼夜温差影响下一定的对流降温效果、冷暖季风速差异影响下的强迫对流降温效果；传统的开放块碎石护坡路基每年能储存约冷季总吸冷量的20％左右，如果考虑全球变暖和人类工程活动等因素的影响，块碎石护坡路基需要补强措施。
4、新型复合护坡降温机理和优化设计；
针对块碎石结构在全球升温和人类工程活动下需要补强措施，研究人员提出了新型复合护坡结构。本文在前人对新型复合护坡降温效果研究的基础上，对新型复合护坡在单因素和多因素影响下的降温效果进行了系统的数值试验，基于温度场优化了新型复合护坡块碎石的厚度、粒径等，为多年冻土区新型复合护坡、块碎石护坡设计提供参考和借鉴作用，同时为青藏铁路数字路基智能化分析系统的研发提供了详细的训练样本。在系统分析研究成果的基础上发现其降温机理是：新型复合护坡结构中遮阳板可以遮阳，夏季可以阻挡热风扰动，冬季可以阻挡大雪对块碎石的覆盖。新型复合护坡结构中的块碎石护坡夏季主要发生热传导，冬季主要发生自然对流热传递，发挥“热二极管”效应，夏季还可以屏蔽高温遮阳板对块碎石护坡的“二次辐射”。
5、边界条件对新型复合护坡降温效果的影响；
本文提出了开放新型复合护坡结构的设计理念，并对其降温特性和降温效果进行了分析研究，研究发现边界条件(封闭和开放条件)对新型复合护坡路基的降温效果影响较大，青藏高原特殊的自然地理条件下开放新型复合护坡路基有较好的降温效果和降温速度，建议新型复合护坡路基在高原高温冻土区道路工程中采用开放形式设计，有利于路基的冷却和冻土的保护。从开放新型复合护坡速度场角度出发，结合温度场，对其降温机理进行了新解释，探讨出复合护坡在外部流体的作用下存在“虹吸效应”和“狭管效应”，在冬季自然对流条件下存在“烟囱效应”，它们共同形成其冷却路基保护冻土的效应。最后对不同遮阳板高度下其降温效果进行了研究，发现遮阳板高度对开放新型复合护坡路基的温度场影响不明显，提出对遮阳板的参数设计要以其在高原大风条件下的结构稳定性为基础进行优化设计。
6、新型复合护坡结构稳定性分析；
新型复合护坡遮阳板结构稳定性也是研究人员和设计人员关心的问题之一。本文在对新型复合护坡结构中遮阳板在极限风速条件下的风荷载研究的基础上，对遮阳板的稳定性和结构参数进行了深入探讨，并在此基础上提出了极限风速条件下遮阳板高度、间距、埋深以及角钢型号的合理取值范围。
7、新型复合护坡路基设计原则探讨；
本文基于对新型复合护坡路基温度场、速度场和热流分析的研究成果，结合遮阳板结构稳定性分析，初步提出了新型复合护坡的设计原则，为高温冻土区新型复合护坡结构的设计、施工、维护提供科学依据，同时为块碎石护坡、遮阳板护坡设计、施工、维护提供借鉴和参考。
青藏铁路
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)
李宁
2007
中文
U213.11
138
2011-05-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）