碎块石层反射率评估新理论及调控技术研究

摘要

块石路基依靠对流冷却能降低其下伏土体温度，在过去几十年的寒区工程建设中发挥了重要的作用。当前，在全球气候变暖以及寒区工程活动日益加剧的背景下，仅依靠块石路基的对流制冷作用，很难在未来50-100年内维持多年冻土路基的稳定，而且无法消除由于路基阴阳坡效应引起的不均匀沉降、路基纵向开裂等工程问题。因此，进一步增强寒区块石路基的制冷效果与修复路基阴阳坡的需求也日益迫切。由于太阳辐射是地面温度的直接驱动力，本文从能量平衡的角度出发，围绕块石路基表面太阳辐射的观测、量化与调控等科学问题，通过室内光谱分析试验、室外现场试验、理论和数值计算相结合的方式，对块石路基表面反射率的测量理论和方法、块石层的热特性、块石路基表面太阳辐射理论模型以及降低块石路基阴阳坡危害的调控措施等问题进行了研究。主要的研究工作与结论如下:
　　(1)针对目前表面反射率现场测量方法不能连续测量目标以及测量对象受限的不足，评估了当前几种表面反射率现场测量方法的适用范围与局限性，创建了一种新的测量小面积目标区域表面反射率的测量理论和方法—无参照板法;运用ASTM E1918A方法和遮光圈法与无参照板法进行了反射率测量试验对比。结果表明:无参照板法与另外两种方法的测量结果极为吻合，验证了无参照板法的可靠性。对于不适宜放置参照板的目标对象，比如粗糙不平的碎石层表面、块石路基曲表面、松散的土层表面、泥浆面或者水面等，都可以运用无参照板法进行表面反射率的测量，无参照板法不仅扩大了测量对象的范围，并且避免了因放置参照板后视角因子发生改变而引起的测量误差。除此之外，无参照板法简化了反射率测量的操作流程，解决了非均质有限平面反射率的连续快速测量问题。
　　(2)为了研究碎石层热特性与骨料粒径大小的关系，在三组平均粒径分别为:15.0mm、24.4mm和36.5mm的碎石层表面依次喷涂6种单色的调配涂料，测量喷涂每一种涂料后三组碎石层的表面反射率、底部温度和热流量以及热惯量。结果表明:离开大粒径碎石层粗糙表面的光子返回其表面的概率更大，大粒径的碎石层吸收更多的太阳辐射、底部温度更高、向下传递的热量更多以及热惯量也更大。但是，大粒径碎石层的这一热特性结果并不妨碍多年冻土地区大粒径碎石层的使用，而正表明，因为有一部分的对流冷却作用被额外的太阳辐射吸收量抵消了，碎块石层的对流冷却效果实际上比我们之前认为的要好，致力于降低大粒径碎石层的光子返回概率将有助于降低碎石层的太阳辐射吸收量。
　　(3)针对路基表面太阳辐射入射量和吸收量的量化问题，提出了路基表面太阳辐射理论模型。利用Matlab软件建立数值模型，结合青藏高原北麓河多年冻土试验段一老旧沥青路面的短波辐射观测数据进行对比，验证了该理论模型的正确性;进一步利用该理论模型对路基表面太阳辐射入射量进行了数值模拟，结果表明:路基为东西走向且边坡角为45°时，路基两侧边坡的太阳辐射入射量差值最为显著。对路基边坡表面太阳辐射吸收量的数值计算结果表明:临界太阳辐射吸收率与路基边坡角度和路基走向有关，对于任何路基结构形式，都可以通过将南侧边坡的太阳辐射吸收率从0.8降到一个大于0.4的太阳辐射吸收率临界值，达到平衡路基两侧边坡太阳辐射吸收量的目的。针对路基阴阳坡的调控问题，考虑太阳辐射俘获效应，建立粗糙表面太阳辐射吸收率理论模型进行计算，得到了碎石层表面的微观吸收率a和宏观吸收率A与返回概率p的关系。结果表明:即使在最不利情况下（光子返回概率最大），通过给碎石层骨料喷涂吸收率为0.2的调配涂料，可以将边坡一侧的太阳辐射吸收率调节至0.4，达到平衡路基两侧边坡太阳辐射吸收量、消除路基阴阳坡的目的。因此，解决多年冻土区路基边坡的阴阳坡问题在技术上是可行的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究的背景

1．1．2 研究的意义

1．2 块石路基国内外研究现状

1．2．1 块石路基的冷却机理研究

1．2．2 块石路基的制冷效果研究

1．2．3 调控块石路基热辐射研究

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 小面积目标区域表面反射率测量新方法

2．1 反射率测量方法概述

2．2 反射率测量理论与方法

2．2．1 均质平整表面的反射率

2．2．2 ASTM E1918方法

2．2．3 ASTM E1918A方法

2．2．4 遮光圈法

2．2．5 “无参照板法"测量原理

2．3 本章小结

第三章 无参照板法反射率测量对比试验研究

3．1 参照板和试验场地准备

3．2 无参照板法视角因子测量

3．3 对比试验方案设计

3．4 试验过程

3．5 结果分析与讨论

3．5．1 试验结果对比

3．5．2 无参照板法的优势

3．5．3 无参照板法的测量误差

3．6 本章小结

4．1 前言

4．2 试验参数

4．2．1 碎石层级配分析

4．2．2 碎石层材料参数

4．3 试验方案设计

4．4 试验过程

4．4．1 碎石层温度和热通量试验装置安装

4．4．2 碎石层反射率测量装置安装

4．4．3 喷涂料后碎石层反射率测量

4．4．4 碎石层的热惯量

4．5 试验结果及讨论

4．5．1 碎石层反射率随粒径大小的变化

4．5．2 碎石层底部温度随粒径大小的变化

4．5．3 碎石层向下传递热量随粒径大小的变化

4．5．4 碎石层热惯量随粒径大小的变化

4．6 本章小结

5．1 前言

5．2 路基表面太阳辐射理论模型

5．2．1 路基的太阳位置

5．2．2 水平表面太阳辐射强度

5．2．3 路基表面太阳辐射强度

5．2．4 路基太阳辐射理论模型验证

5．2．5 粗糙表面太阳辐射吸收率理论模型

5．3 建立数值模型

5．4 结果分析

5．4．1 路基边坡全年太阳辐射的变化

5．4．2 路基走向对边坡太阳辐射的影响

5．4．3 调控路基边坡太阳辐射吸收量

5．5 修复路基阴阳坡调控技术

5．6 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表论文情况

攻读学位期间参与科研情况