路基冻胀是冻土区铁路建设与运营的主要基础病害之一，保温是路基冻害防控的一种常用措施。在总结路基保温材料使用性能要求的基础上，综述目前无机类与有机类保温材料、超高性能绝热材料、相变材料、泡沫轻质土及泡沫混凝土等5大类19种保温材料的常规性能及改性或实用化工艺的发展现状。总结了目前我国铁路路基既有的保温方案及适用场景，提出了新建铁路与运营铁路保温方面存在的问题以及发展方向。最后，结合近年新型保温材料的技术优势及发展趋势，提出复合强化层等6种新型铁路路基保温方案，以期为铁路路基保温技术的创新和发展提供参考。
为研究给排水管道外加保温材料、内通热媒管道措施对防止管道冻结和减小多年冻土影响的效果。文中通过采用两种不同的保温材料进行试验,分析得出聚氨酯保温材料比岩棉更加适用于热媒给排水管道保温,防止管道冻结和维持周围多年冻土的状态。通过建立给排水系统仿真模型分析得出采用管道保温措施的情况下,在土体冻结期内管道内温度为负值;当采用热媒时管道内流体温度可维持正温,不发生冻结。
基于加格达奇地区实测气温以及典型点月平均出站油温监测资料,利用二维有限元模型对典型冻土工程地质地段运行50 a有无保温材料埋地热油管道周围土体的冻融过程以及融化圈发展过程进行数值计算。研究表明:管道中心剖面,春季管道附近存在双向融化,冬季地表向下单向冻结,管底土体始终处于融化状态;原天然地层土体春季单向融化,冬季双向冻结;管道周围土体融化圈和融化深度随着时间的推移逐渐变大,管道运行50 a后,无保温材料管道管底融深高达6.9 m;土壤融化速率在第1年达到最大,随后迅速减小,10 a后基本不变;保温材料对管道周围土体冻融过程、冻融圈、冻融深度的发展有明显的抑制作用,尤其在管道运营初期抬升了下部土体温度。
针对现有岛状冻土地区冻胀路基的维护技术存在的突出问题,为最大限度地降低利用传统换填材料处治对道路通行能力的影响,研究提出了两种具备良好隔温性能,且能够快速硬化、施工便捷的新型填料。基于可控性低强度材料(CLSM)的高流动性、自填充、自密实特性,对其掺入泡沫颗粒,并通过对两种配合比进行无侧限抗压强度试验、导热系数试验和抗冻融循环试验,确定换填材料的泡沫颗粒的最佳体积比为1%。从技术经济角度出发,提出治理方案为:对沉陷面积不大的区域,采用全厚度换填修复;对沉陷面积较大的区域,采用XPS板+CLSM换填修复。最后通过现场试验段的实施,分析结果表明,本文提出专用于现有岛状冻土地区路基换填的新型材料,能够达到实际的工程应用要求。
针对青藏高原多年冻土区高寒、大温差环境下公路隧道防冻保温与多年冻土保护问题,依托中国首座多年冻土区公路隧道建设实例,采用有限元软件ANSYS,分析了不同隧道保温隔热层铺设方式下的温度场变化,并利用模糊综合评价方法对保温材料性能进行了对比分析。结果表明:多年冻土区隧道宜采用双层铺设方式;保温材料铺设在二衬表面或离壁铺设时应优先选用福利凯保温板,保温材料夹层铺设时应优先选用硬质聚氨酯泡沫塑料材料;研究成果可为避免多年冻土区公路隧道冻害和冻土融化,保障结构长期稳定服役提供科学依据。
以鄂西地区沙子垭隧道为背景,运用传热学和有限元的基本理论,考虑应力场和温度场的耦合影响,建立了应力场和温度场耦合问题的二维数学模型,并应用Galerkin法进行了有限元分析。分析结果表明,温度场对季节性冻土隧道的应力场影响较大,在建设期间应该考虑应力场与温度场的耦合影响。
针对内蒙古自治区根河至满归出口公路一在建桥涵基础,考虑相变、热生成及材料非线性,用有限元法模拟了现浇混凝土中的水化热以及开挖回填等动态施工过程对冻土地基温度场的影响,对基础下设的绝热保温层厚度以及预留边界进行了探讨,预测了未来50年的最大融深,总结了一些有价值的结论。
为了确保铁路路基稳定性,采用EPS保温材料的保温层对路基进行处理,研究了铺设EPS保温材料的路堤在上覆土层厚度不同时的路堤和路基的地温特性。
为解决冻土区输油管道周围土壤的温度计算问题,根据考虑相变瞬态温度场的控制微分方程,应用Galerkin法推导出了二维温度场的有限元计算公式.以东北多年冻土区中俄原油管道工程为背景,根据该工程区的冻土条件和气候条件,应用该方法对温热型输油管道土壤温度场进行了计算预报与对比分析.结果表明:对于输送油温为15℃、直径为0.914 m以及管顶埋深为2.0 m的管道,在没有铺设保温材料情况下,管顶之上的土壤在管道运行的第1年就达到热平衡状态,同时土壤融化速率在第1年达到最大,随后4 a时间里迅速减小,第5年后融化速率变化趋于稳定;管道运行一段时间后,管道周围的融化圈随冷暖季节的变化呈交替式的扩展;在管道运行30 a后,融深>10 m,即管底下的融化层厚>7 m,而在铺设5～8 cm的聚氨酯保温材料后,融深控制在3.08～3.88 m,即管底下融化层厚为0.2～1.0 m.因此,合理使用保温方法能有效防止冻土区管道冻害的发生,同时达到保护冻土环境的目的.
热管-保温材料复合路基是青藏铁路中应用广泛的一种新型路基结构形式.通过数学模型分析,推导出应用于青藏铁路冻土路基中的热管的热流表达式,并用热焓法考虑冻土相变问题,对该路基结构形式及在无保温材料情况下施工20 a后的路基温度场进行数值模拟.数值模拟表明:保温材料能够有效地阻止热量从路基面向下传入地基中,使0℃等温线始终在保温板底层;该路基结构形式为青藏铁路多年冻土区路基的理想结构形式,有利于克服全球变暖的影响.