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多年冻土块石通风路基温度场数值模拟与分析

叶学民  
【摘要】:由于冻土是对温度变化特别敏感的特殊工程土类,因此如何采取有效的措施和路基形式以改变路基土体本身的水热状况,减小路基土体对其下部多年冻土的影响,从而保证路基的稳定,已成为了各国冻土工程研究者的研究对象。 本文按照外部气候条件、冻土内在因素以及公路工程特点,对冻土路基温度场的影响因素做了分析,并对近年来的多年冻土地区路基修筑新技术做了相应介绍;根据热传导微分方程应用显热容法建立了含相变的普通路基非稳态温度场有限元分析模型;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使用Boussinesq近似建立了耦合的非线性的块石通风路基温度场有限元计算模型;对同一地区的普通路基和块石通风路基温度场进行了有限元计算,比较了同期两种路基的温度场,比较了不同时期块石层内的速度场,对块石通风路基的工作原理进行了分析;对不同块石层厚度、粒径、埋设位置以及年均地温下的块石通风路基进行了数值模拟,并进行了同期温度场比较,详细分析了不同结构形式对冻土保护效果的影响及块石路基的适用条件。 研究表明:块石通风路基具有较好的保护多年冻土的效果,能够随着时间的推移而弥补因施工等造成冻土条件的改变;在暖季时,块石层内的对流换热向上,传入地中的热量较少,在冷季时,对流换热向下,较多的冷量可以传入地基中,从而使得块石路堤的综合效果是冷量输入大于热量输入;块石层越厚,路基下的冻土越稳定,随着块石层厚度的增大,相邻厚度块石路基之间的温度差值在逐渐减小,因此本文认为块石层的合理厚度应为0.9m~1.5m;不同块石粒径通风路基均能较好地保护冻土,且粒径越大效果越显著,建议选用10cm以上粒径的块石,更有利于冻土的稳定;块石层埋设位置对块石通风路基的影响较大,埋设位置越低,对冻土的保护作用越强,因此为了能够最大限度地发挥路基中块石层的作用,块石层宜直接埋设于地面上;对于不同年均地温地区,块石路基都充分发挥了主动保护冻土的作用,它能够相应地抬升冻土上限,消除修筑路基对基底冻土的影响,从而保持冻土稳定,减小路基体的破坏,因此是一种广泛适合各种稳定类型冻土地区的结构形式。


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