新型块石护坡的降温效果与冷却机理数值试验研究

摘要

作为主动冷却地基措施之一的新型块石护坡—遮阳板块石护坡，块石护坡的块石粒径、铺设厚度以及路堤高度不同，块石多孔介质内部的空气对流会产生不同的降温效果和冷却机理。本文针对青藏铁路工程中的块石护坡自然对流与传导，利用陈飞熊博士和本人导师李宁教授开发的冻土工程三场耦合模型的系统3G2001，试图从量化的角度对新型块石护坡路基的不同路堤高度、块石层厚度、块石粒径、空气密度和冻融活动层土性之间的降温效果进行数值试验研究，为优化设计提供科学依据。主要研究成果如下：1．新型块石护坡-2℃温度波传递深度比传统的开放式块石护坡增大10~20％左右，说明人工营造的自然对流环境比强风造成的强迫对流换热更有利于冻土的降温冷却。对于新型块石护坡，4m高度路堤的-2℃温度波传递深度在第10年传递深度比第一年增大了2倍多，与其他高度的路堤相比表现出良好的降温效果；与传统路基基底融化深度随路堤高度增加而线性增加不同的是新型块石护坡4m高度的路堤基底融化深度10年来最小，明显优于其他路堤高度。2．本文的数值试验结果表明新型块石护坡由于遮阳板大大削弱了太阳辐射的影响，从而克服了传统开放式块石护坡冬季大粒径的块石冷却能力强，夏季吸热量多的矛盾，新型块石护坡存在一个最优粒径使得冷却能力最强，本文发现块石粒径为15cm时降温效果最显著。同时分析结果表明空气密度对新型块石护坡降温效果很小。3．一般认为，开放式的块石护坡在强迫对流作用下块石层越厚越好，本文的研究表明新型块石护坡在自然对流环境下，存在一个最优的块石层厚度。本文经4种常用的厚度设计方案对比，得出1.0m厚度降温效果最佳。4当冻融活动层为草炭亚粘土时，它的干密度和含水量处于不同状态时，对温度场的影响很明显。导热系数偏小时起到了保温材料的作用，难以达到自然调节冻土上限热平衡状况的目的，导热系数偏大时，降温效果显著，但是温度振幅太大，容易增加活动层厚度。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 新型块石护坡路基的提出及工作原理

1.3 本文的研究内容

第2章 路堤高度对新型块石护坡降温效果的影响

2.1 引言

2.2 数值试验平台

2.2.1 软件平台结构

2.2.2 模块功能

2.3 数值试验模型及边界条件

2.3.1 数值试验模型的建立

2.3.2 定解条件

2.3.3 数值模型基本参数的确定

2.4 数值仿真试验结果与分析

2.4.1 温度沿深度分布特性对比

2.4.2 关键点 G和 H温度值时程曲线对比

2.4.3 最大季节融化深度对比

第3章 块石粒径对降温效果的影响

3.1 引言

3.2 多孔介质的渗透率

3.3 数值试验模型及边界条件

3.4 数值仿真试验结果与分析

3.4.1 温度场分析与对比

3.4.2 块石层下部土体热收支对比分析

3.4.3 温度沿深度分布特性对比

3.4.4 关键点A温度时程曲线对比

3.5 空气密度对块石护坡降温效果的影响

第4章 块石层厚度对降温效果的影响

4.1 数值试验模型及边界条件

4.2 数值仿真试验结果与分析

4.2.1 夏季融化深度对比

4.2.2 冬季温度场对比

4.2.3 温度沿深度变化的对比

4.3 土体物理性质对降温效果的影响

4.3.1 导热系数对降温效果的影响

4.3.2 数值仿真试验结果与分析

第5章 结论

5.1 结论

5.1.1 关于路堤高度

5.1.2 关于块石粒径和空气密度

5.1.3 关于块石层厚度与土体热学参数

5.2 存在的问题

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间所从事的实践工作与主要成果