多年冻土热管路基的热稳定性分析及病害防治

摘要

青藏铁路建成后必须采用有效的措施来应对在全球气温升高条件下大片多年冻土的退化造成的路基融沉病害，从而保证线路运营的安全。热管作为有效地提高冻土路基热稳定性的一种主动保护方案在青藏铁路线上已广泛应用，但路基的现场调查表明：路基接近东西走向时，其阴阳坡的温度差异导致其阳坡半体侧普遍存在着纵向融沉断裂现象，这将给青藏铁路建成后的安全运营带来极大的隐患。 本文综述了热管技术的研究现状，并就热管技术应用于多年冻土路基的理论研究及工程应用做了叙述，同时结合风火山地段的实际地质和气候条件建立了解决热管路基问题的相变传热模型；探求了多年冻土路基引起纵向融沉断裂病害的两大根本原因，提出了直插式热管路基抬升人为上限的可行性及其调控融化盘不对称缩小的局限性；研究确定了斜插式热管路基热管的合理斜插角度及斜插式热管冻土路基实际应用中仍然存在的不足，并由此最终提出合理角度斜插式热管加EPS保温板组成复合热管路基结构的解决措施。 结果表明：直插式热管路基出现纵向裂缝的原因在于路基内部存在着融化盘的非对称缩小过程；探求得出了热管倾斜埋设的最佳倾角值为45°，但与直插式热管相比，斜插式热管并不能显著改善融化盘的的不对称缩小过程，它只能缩短融化盘出现的时间；此外，45°斜插式热管加EPS保温板组成的复合热管路基能显著提高人为冻土上限、减小融化盘的面积及存在时间、较好的调控融化盘的对称性从而减少路基体内纵向断裂融沉病害的出现几率。 本文研究结果对于青藏铁路受阴阳坡温度差异影响明显的地段建成后在运营过程当中出现融沉病害提供补救措施具有重要的意义，并为我国将来在其它高原冻土区开展热管路基的设计、建设及维护提供更加科学有力的工程指导和参考价值。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1青藏铁路路基应用热管的技术背景

1.2两相闭式热虹吸管工作原理

1.2.1青藏铁路冻土路基热管——两相闭式热虹吸管的简介

1.2.2应用于青藏铁路冻土路基的热管工作原理

1.3多年冻土的物质组成

1.4多年冻土的上限及冻土路基的设计原则

1.5国内外热管技术及冻土路基的研究状况

1.6本文主要研究内容

第二章路基产生断裂融沉病害的根本原因

2.1风火山地区气候及地质条件

2.1.1风火山地区气候条件

2.1.2风火山地区地质条件

2.2物理模型

2.3数学模型

2.4解析区域的离散化和模型边界条件

2.5数值计算方法

2.6模型初始条件给定及模型可靠性检验

2.7计算结果及分析

2.8本章结论及建议

第三章热管应用于路基的热稳定性分析

3.1热管路基物理模型

3.2数学模型

3.3解析区域的离散化和模型边界条件

3.4初始条件

3.5数值计算方法

3.6计算结果及分析

3.6.1直插式热管路基基底温度场的数值分析

3.6.2直插式热管路基基底温度场的改善分析

3.7本章结论及建议

第四章热管路基热管合理铺设方式的选择及其传热分析

4.1热管最佳埋设方式的选择

4.1.1斜插式及坡脚直插式热管路基物理模型

4.1.2数学模型及单值性条件

4.1.3计算结果及分析

4.2 45°斜插式热管路基的热稳定性分析

4.3本章结论及建议

第五章复合冻土路基在纵向融沉断裂病害防治中的应用

5.1物理模型

5.2数学模型及单值性条件

5.3计算结果及分析

5.4本章结论及建议

第六章结论及后续工作

6.1本文的结论

6.2论文创新点：

6.3后续工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要研究成果