热棒填土路基降温效果的三维非线性有限元分析

基于热棒的工作原理,结合唐古拉山冻土区的道砟填土路基,考虑热棒材料本身的高导热性、阴阳坡、冻土相变等因素,采用有限单元法计算分析热棒对填土路基的降温效果。研究结果表明:第1年热棒运行结束后在路基阳坡下方形成直径大约为8.6 m、温度低于-0.5℃的低温区;右坡脚(阴坡)下形成直径大约为9.6 m、温度低于-0.5℃的低温区,并在低温区内热棒周围形成了温度低于-3℃的条形低温核;第3年路基下方靠近阴坡位置形成温度低于-0.8℃的低温区,热棒起到了很好的制冷效果,保证路基下伏冻土不融化,从而保证路基的稳定性。     

青藏铁路保温板热棒复合结构路基保护冻土效果数值分析

根据带相变热传导有限元方法,对普通路基、含保温板路基、热棒路基和保温板热棒复合结构路基在未来50年青藏铁路沿线气温上升2.0℃情况下的温度场进行了预报分析和比较.计算结果表明,在年平均气温为-3.5℃或地表年平均温度为-1℃的地区,在青藏铁路50年的使用期内,普通路基、含保温板路基和热棒路基在气温升高条件下路基下伏、冻土都将发生融化,路基将会产生较大融沉变形,不能保证青藏铁路路基的稳定性.而保温板热棒复式结构充分利用了保温板和热棒两种措施的优点,可以更好的提高保护冻土的效率.     

109国道季节性冻土区路基原始温度场分析

针对青海省2013年需要新建、改建的高速公路等项目,以109国道青藏高原橡皮山附近季节性冻土区公路路基为研究对象,利用ANSYS有限元模拟分析软件建立数学模型,经过分析后得出该区域路基土体原始温度场.分析结果表明：青藏高原季节性冻土区路基土体内部温度低于0℃的月份为每年的11、12月和翌年l、2和3月,最低温度达-15℃,而在地表2m以下地温高于0℃.     

青藏高寒高海拔地区宽幅公路沥青路面力学响应

为深入研究青藏高寒高海拔地区宽幅公路沥青路面力学响应,以指导该区域宽幅公路沥青路面结构设计、路基填挖形式及高度选择。将基于欧拉描述的大变形固结理论应用于冻土融化固结分析,研究融沉作用下路基高度、路面结构形式、宽度、厚度及模量对宽幅公路沥青路面力学响应的影响规律,并基于多目标规划理念,提出以沥青层底拉应变及路表差异沉降量综合最小为目标的力学响应综合评价指标P,用以评价路面综合力学响应。结果表明:柔性基层沥青路面沥青层底拉应变随路表差异沉降量呈先增大后减小的变化规律,倒装式、半刚性及复合式基层沥青路面、半刚性底基层层底拉应力则随其呈线性增大趋势;融沉作用下,ATB-25层底横向拉应变小于不考虑冻土融沉作用时;年均气温为-3.5℃、-4.5℃时,半刚性底基层横向拉应力显著大于不考虑冻土融沉作用时;P均值随路面宽度增大而增大,且22.5m时增大最显著;填方路基P均值随填方高度增大先减小后增大,高度为1m时最大,2m时最小,此后逐渐增大;挖方路基P均值随挖方高度增大而增大,高度为1m时最小,2m时显著增大。从路面力学响应角度,建议多年冻土区宽幅公路应尽量减小路面宽度,不宜大于17.5m;路基填方高度不宜小于2m,挖方高度宜为1m以下;对于年均气温-3.5℃、-4.5℃地区,路面结构形式宜选取柔性基层沥青路面。     

利用热管-保温材料复合结构提高冻土区路基稳定性研究

热管-保温材料复合路基是青藏铁路中应用广泛的一种新型路基结构形式.通过数学模型分析,推导出应用于青藏铁路冻土路基中的热管的热流表达式,并用热焓法考虑冻土相变问题,对该路基结构形式及在无保温材料情况下施工20 a后的路基温度场进行数值模拟.数值模拟表明:保温材料能够有效地阻止热量从路基面向下传入地基中,使0℃等温线始终在保温板底层;该路基结构形式为青藏铁路多年冻土区路基的理想结构形式,有利于克服全球变暖的影响.     

青藏公路冻土路基阴阳坡热效应研究

青藏公路多年冻土路段的阴阳坡现象会引发路基及下伏冻土地基热状况不对称分布,影响长期稳定性.为此,基于实测坡面温度数据,开展不同年平均气温和路基高度条件下冻土路基地温场分布及演化规律的模拟.结果表明,年平均气温-3℃下阴坡冻结指数约为阳坡的2倍,融化指数约为阳坡的0.83倍.路基修筑后,阴坡一侧路基下部人为上限均有一定抬升.此后,在气候变暖及沥青路面强烈吸热效应作用下,路基左右路肩下部人为上限不断下降,其中高填方路基人为上限下降速率相对较快.阴阳坡效应作用下,东西路基下部人为冻土上限呈左高右低的趋势,下伏土体温度同样为左高右低.高填方路基下伏冻土层地温分布的不对称较同期的普通填方路基显著.     

青藏公路多年冻土路基内的热状况

基于青藏公路沿线2组地温观测孔5年的地温观测资料,定量分析了高温冻土区和低温冻土区路基内的热状况.结果表明:路基近地表地温明显高于对应天然地表下的地温,路基近地表经历的融化期长于对应天然地表,高温冻土区路基内已形成贯穿融化夹层;进入路基内活动层的热收支呈明显热积累状态;进入高温冻土区路基下伏多年冻土内的热收支处于持续不断的吸热状态,进入低温多年冻土区的热收支也呈现出吸热明显大于放热的周期性变化;高温冻土区接近0℃的地温及其持续不断的热积累是引起下伏多年冻土不断融化的主要原因,低温冻土区进入多年冻土的热积累暂时以增高地温耗热为主,随着地温的增高,低温冻土区也可能发生强烈的冻土融化.     

多年冻土区高等级公路路基温度场研究

在全球变暖的背景下,利用有限元法对多年冻土区高等级公路路基温度场进行数值模拟研究。分析路基高度分别为2.0,3.0,4.0,5.0和6.0 m时路基高度与路基下方冻土上限的关系,分析路面宽度分别为14.0,16.0,18.0,20.0和24.0 m时路面宽度与路堤内和基底融化夹层面积的关系。研究结果表明:在影响路基下方多年冻土上限和融化夹层面积的各因素(路基高度、边坡坡度和路面宽度)中,路基高度对冻土上限的影响程度最大,路面宽度对路基内和基底融化夹层面积的影响最大;冻土路基在20 a的设计使用年限内合理高度为4.26 m;冻土路基在不采取"冷却地基"措施的情况下,在20 a的设计使用年限内,路面最大宽度为6.0 m;当路面宽度为12 m时,分幅路基的合理间距为35.3 m。     

青藏公路冻土路基最大设计高度研究

针对冻土路基斜坡稳定性受温度场影响的特殊性,采用自行开发的数字路基仿真平台对不同地温、不同坡度和不同路基高度条件下的大量工况进行了温度场数值模拟。采用冻土力学参数与地温的拟合公式将温度场与力学场关联起来,并考虑到冻融交界面作为软弱夹层对于冻土路基稳定性控制作用,采用自行编制的冻土斜坡稳定性评价程序对各工况进行了稳定性系数计算,并考虑了荷载作用对冻土路基斜坡稳定性的影响。参照《公路路基设计规范》中对于路堤软弱层滑动稳定性的设计规定,提出了不同坡比、不同荷载作用条件下的冻土路基最大设计高度。     

青藏铁路低温冻土区片石路基的温度特征

在青藏铁路五道梁低温冻土区进行了片石护道路基新结构和土护道路基结构的实体工程试验,以确定路基修筑对温度场的影响.对测试断面冻融循环的地温监测资料的分析表明,2004年片石路基左右路肩孔冻土上限处,年平均地温分别低于土护道路基相应位置0.12℃和0.14℃,2005年片石路基左右路肩孔分别低于土护道路基相应位置0.65℃和0.03℃,冻土上限以下地温均呈逐年下降趋势.片石护道和土护道路基冻土上限均存在不对称性,但随着时间发展,片石护道路基最大融化深度位置基本接近或超过天然地面,且冷生过程还在继续.该区域的片石护道路基新结构能够有效发挥降低地温、主动保护多年冻土的作用.     

青藏铁路低温热管应用的能量基础条件

针对青藏铁路冻土路基工程中广泛应用的低温热管,研究了其工作的能量条件和工作效果.依据观测数据对低温热管的降温效果进行了分析研究,并采用有限元方法,在实测数据作为边界条件的基础上对低温热管的30年长期工作效果的变化趋势进行了数值模拟研究.对实测数据的分析以及数值模拟计算的结果都反映出相同的趋势:热管的应用有效地降低了土体温度,并在长期工作中能够持续降低土体温度.研究表明,在气温升高趋势下,低温热管应用于寒区工程的能量基础条件未有重大改变,并能够在30年的寿命期内持续地发挥作用,使应用这种热管的冻土区路基工程热稳定性得到保证.     

气候温升背景下青藏工程走廊带多年冻土热融蚀敏感性分布预测研究

为揭示气候温升背景下青藏工程走廊带多年冻土热融蚀敏感性分布规律,基于现有地温分布、活动层厚度的野外监测数据建立了二者与热融蚀敏感性之间的多元回归模型,并采用开放系统地气耦合模型对2016年以后气候温升模式下多年冻土年平均地温和活动层厚度变化进行数值研究,进而获得未来20 a和50 a青藏工程走廊带多年冻土热融蚀敏感性分布预测图.研究结果表明,走廊带内冻土年平均地温越低,受气候温升的影响越大,而活动层厚度则随地温和气温的升高而增大,年平均气温-5.5℃工况下,其年平均地温和活动层厚度增幅分别为0.015 4℃/a和0.86 cm/a;融区和高温冻土区主要分布在走廊带沿线的河流、谷地和盆地等区域,且随着气温的逐年增加,预计2066年低温冻土区域比例将减少52.1%,高温冻土区域和融区面积比例总计将增加74.7%;走廊带内多年冻土的热融蚀敏感性将大幅增加,且极敏感型冻土的增加比例将随时间而加速增长,到那时极敏感型冻土比例将增长1倍以上,敏感型和极敏感型冻土将占整个走廊带内多年冻土区的78%以上.     

青藏铁路多年冻土区路基温度场的模拟与预测

在多年冻土区修建铁路站场路基,打破了原来天然地表与外界的热力平衡,地下温度场将重新分布.根据此特征可推断多年冻土的发展演化趋势以及评定路基的稳定状况.结合青藏铁路某段站场路基实际监测数据,利用ANSYS软件对2002年～2030年地下温度场进行有限元数值模拟.模拟计算结果表明:路基下冻土上限发生上移,多年冻土得到了保护;在年平均气温增长0.02 ℃的条件下,试验段内冻土人为上限和未受路基影响的冻土天然上限均逐年下降;同时,路基阳坡、阴坡两侧地下温度场分布特征的差异构成了路基不均匀变形和路面裂缝的潜在威胁.     

高速公路改扩建路基开挖临空面安全控制标准

为合理控制高速公路改扩建施工时开挖临空面后的路基稳定性和行车安全,通过建立有限元仿真模型,全面分析了临空面开挖高度、车辆荷载作用位置以及路基土质对开挖临空面路基工作状态的影响,对粘性土、砂性土和碎石土3种不同土质的路基、不同工况条件下的开挖临空面路基稳定系数进行了计算,在此基础上提出了高速公路改扩建路基开挖临空面安全控制标准。结果表明：临空面开挖高度和荷载作用位置对路基稳定性影响较大,临空面高度应控制在2.0m内,路侧安全距离应为1.5～2.0m;路基土质对路基稳定性影响相对较小,粘性土路基稳定性最好,依次是砂性土和碎石土;根据路基稳定系数的差异性,将路基高度分为：小于1.0m,1.0～1.5m,1.5～2.0m,2.0～3.0m和3.0～3.5m这5个等级,以稳定系数1.80为控制指标,制定了路基开挖临空面安全控制标准。     

热管之谜

青藏铁路东起青海格尔木,西至西藏拉萨,全长1200千米,其中有600千米属于高海拔寒冷区冻土地质。冻土层地基的稳定性是青藏铁路面临的最大难题!为保证青藏铁路路基的稳固,我国科学家使用了世界上最先进的科学技术——热管。     

青藏铁路典型地段变形特征分析

冻土区路基变形问题的核心就是研究路基内地温的变化.通过分析青藏铁路典型地段气温地温均低、气温高地温低、气温地温均高3种不同地段在工程热扰动阶段、路基趋于稳定阶段、铁路长期运营阶段的地温变形原始资料,得到相应地段在不同时期的地温和变形特征.分析结果表明,气温、地温均高地段路基抵御未来气温升高的能量积累不足,产生的沉降变形量最大,因此必须采用相应的工程措施.     

青藏高原热融湖塘水文变化及其工程指示意义

热融湖塘的发育和扩张显著地影响着青藏高原冻土区水文循环和工程稳定性.本研究选择青藏高原北麓河盆地典型的热融湖塘,开展热融湖塘的同位素水文变化研究及工程指示性.结果表明,永久性湖塘稳定同位素季节变化显著小于季节性湖塘;年际差异结果显示,热融湖塘同位素水文过程受降水量和气温的协同影响,大的降水事件使得湖水同位素显著贫化,而较高的气温加剧了湖水同位素蒸发分馏效应,产生了重同位素的富集效应;此外,夏季活动层和上限附近地下冰融化释放的水分成为湖塘水分的另一个重要的补给来源.最后,研究结果也证实了热融湖塘的发育对青藏公路路基有较大的影响,建议在高原冻土区开展工程活动时要重点考虑热融湖塘对工程进展和后续工程稳定性的影响.     

青藏公路高路基病害的形成及其机理

为研究以纵向裂缝为主的青藏公路高路基病害的形成及其机理,在大量实地调查研究的基础上,分析了高路基病害形成的原因,分析认为高路基病害不仅与融化盘有关,还与融化夹层、冻结核和冻土环境等相关。研究结果表明:高路基病害与路基高度及坡向直接相关;路基高度大于2.5m的路基内高路基病害占总量的75.7%,且阳坡侧病害占总量的66.5%;当路基高度小于临界高度时,融化盘及其偏移是形成路基病害的主要原因;反之,在高温冻土区,融化夹层则是主要因素,而在低温冻土区,冻结核形成的"凸"滑动面与阳坡侧坡脚下融化盘的联合作用引发了一系列高路基病害;施工质量与冻土环境的破坏等构成了影响高路基病害的人为因素;高路基病害的治理应因地制宜,结合病害的形成特点采取不同的治理方案。     

冻土地区路基水害及防排水设计探讨

近年来寒区道路数量逐年增多,特别黑龙江省地处高纬度地区,许多道路不可避免的穿过冻土地区,这对冻土地区道路路基稳定性提出更高的要求,而水是影响路基稳定性的关键性因素.本文总结和概括在冻土地区路基水害及防治方面已有的研完成果,提出具体的防排水设计措施,为工程实践提供指导.     

半导体新型热棒的试验研究及分析

冻土作为四相土体,其物理性质较为复杂,而且对于温度具有很高的敏感性,周期性的温度变化会使冻土路基发生冻胀融沉等病害。因此,在冻土地区修建铁路、公路一直是世界性的难题。在青藏铁路工程中,为了防止多年冻土的融化,维持多年冻土的稳定,热棒路基被广泛采用。众所周知,热棒只能在寒季工作,而暖季不工作。基于热棒的工作原理,再结合半导体制冷的原理,在暖季对热棒的冷凝段加入人工制冷装置,使其温度低于蒸发段的温度,从而驱使热棒工作,达到降低地温的目的。在风火山进行的试验表明,半导体新型热棒能够明显降低活动层的温度,有望在今后冻土区的铁路、公路工程建设中发挥良好的效果。