青藏铁路多年冻土区片石气冷路堤温度特性研究

摘要

纵观国内外多年冻土区的各种工程现状，片石气冷路堤作为主动降温，保护多年冻土的工程措施，在不同国家和不同地区、不同工程领域的不同冻土条件下进行过一些应用和研究，但都仅限于在路堤边坡上铺设片(碎)石护坡的工程实体和试验模型基础上进行的。在路堤本体内倾填一定高度的片石，使片石堆积体作为热传导和热对流的介质，主动调控地温场，达到冷却地基的效果，并进行冻融循环科研试验，用现场实测数据作为初始和边界条件进行冻土温度场模拟计算和未来变化趋势预测，在国内外尚属首创。 在青藏铁路清水河高温不稳定，高含冰量区域铁路线位上设计修建了完全相同的地形、地温、地质、水文条件下的片石气冷路堤和普通填土路堤对比试验段。本文对该试验段片石气冷路堤、普通填土路堤结构断面和测试方案进行了设计，对不同位置和不同深度三个冻融循环的温度特性进行了分析，对工程效果进行了研究。研究结果表明，片石气冷路堤降低地基温度效果明显，有利于抬升多年冻土上限，有利于减小阴阳面地温的不均匀变化对路堤稳定性的影响。根据试验工程路堤断面结构，本文运用ADINA有限元分析软件，建立了冻土路堤温度场有限元模型并进行了温度场数值模拟计算，用现场实测地温数据作为初始条件和边界条件，确定施加的温度荷载，对路堤修筑后的温度场进行计算和分析，计算结果与实测结果吻合较好。在此基础上，对片石气冷路堤和普通填土路堤修筑后20年在气候不变和气候变暖两种条件下的温度变化趋势进行了预测。研究分析结果和预测结果表明，片石气冷路堤调控地温场效果较好，能缩小路堤阴阳面地温差值。但在气候变暖条件下若要保证未来20年路堤不融沉，还需采取其它补强措施。最后，利用建立的冻土路堤温度场有限元模型计算分析了不同片石层厚度对片石气冷路堤温度场的影响，提出了经济合理的片石层厚度。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2片石气冷路堤的国内外应用研究现状

1.2.1片石气冷路堤工作原理

1.2.2片石气冷路堤试验分析研究现状

1.2.3片石气冷路堤数值模拟分析研究现状

1.2.4片石气冷路堤预测分析研究现状

1.3片石气冷路堤分析研究现状存在问题及本文研究内容和方法

1.3.1片石气冷路堤研究工作存在的问题

1.3.2本论文研究的主要内容

1.3.3本文主要研究方法

第二章片石气冷路堤现场实体工程试验设计

2.1试验工程场地地质特征

2.1.1气候特征及气象资料分析

2.1.2多年冻土特征

2.1.3地层岩性

2.1.4水文地质特征

2.2试验工程设计

2.2.1试验工程结构断面设计

2.2.2测试断面及测试方案设计

2.3施工情况

2.4基本土工和片石层空隙率试验

2.4.1基本土工试验

2.4.2片石层空隙率试验

2.5本章小结

第三章片石气冷路堤与普通路堤温度测试结果对比分析

3.1测试断面地温对比分析

3.1.1天然场地地温分析

3.1.2路堤测试孔地温对比分析

3.2测试断面积温对比分析

3.3测试断面路堤温度场变化对比分析

3.3.1寒暖季路堤温度场变化

3.3.2最大融化深度年度对比分析

3.4本章小结

第四章片石气冷路堤与普通路堤温度场数值模型及求解

4.1路堤温度场的控制方程

4.1.1普通路堤温度场的控制方程

4.1.2片石气冷路堤温度场的控制方程

4.2有限元分析模型的构建

4.2.1模型结构及单元划分

4.2.2热物理参数取值

4.2.3初始条件与边界条件的确定

4.3计算结果的分析与验证

4.4本章小结

第五章片石气冷路堤与普通路堤温度场的预测分析研究

5.1不考虑气候变暖时片石气冷路堤与普通路堤温度场预测分析

5.2气候变暖时片石气冷路堤和普通路堤温度场预测分析

5.3本章小结

第六章片石层厚度对片石气冷路堤温度场的影响研究

6.1片石层厚度对片石气冷路堤温度场的影响研究

6.2本章小结

第七章结论及建议

7.1主要结论

7.2本文主要创新点

7.3建议

参考文献

攻读博士期间主要工作及成果

致谢