为研究川藏季节性冻土地区冬季隧间路段沥青路面温度场变化规律，基于康定地区的现场温度观测数据，利用有限元仿真软件对隧间钢桥段和路基段进行了温度场分析。分析结果表明，隧间钢桥段和路基段路面结构温度分布特征有所差异；增大风速与考虑太阳辐射均使路面温度场变化幅度变大，风速从0.0 m/s升高到2.0 m/s，钢桥段和路基段路表最低温度分别下降了2.40℃和2.29℃，但温度变化速率随风速的增大而逐渐减小；受日照时间越长，温度振幅越大，但路基段温度受太阳辐射的影响程度明显大于钢桥段；不考虑风速和太阳辐射条件下，在h=0 cm处钢桥段比路基段最低温度小0.44℃，因此在冬季更易发生结冰现象。相关研究结论为类似工程提供了参考。
季节性冻土区渠道混凝土衬砌冻胀破坏一直是困扰灌区健康发展的难题。导致渠道混凝土衬砌冻胀破坏的主要外界因素有衬砌表面温度、渠基土地下水与渠基土质等。大量实验证明,在太阳辐射的作用下渠道混凝土衬砌与渠基土体之间产生一定的温度差,从而形成一定的温度梯度,使得渠基土水分不断向衬砌底部迁移,产生较大的法向冻胀力,造成衬砌鼓起与脱落。文章在考虑太阳辐射因素对渠基土体温度场影响的基础上,将其回归成正弦函数T代入热力学方程中,并通过MATLAB编程计算出太阳辐射因素下渠道不同位置各个时刻t的深度z随温度T的变化规律,为以后季节性冻土区渠基土体温度场计算提供了一种简单可行的方法。
温度边界是冻土工程模拟中重要的边界条件之一。依据青藏公路多年冻土段不同走向路基断面表层温度的连续观测数据,分析了青藏工程走廊内路基实测的边界温度特征。结果表明:走向为W8°S的断面阴阳坡温差最大为5.81℃,走向为W34°S的断面坡面温差为5.68℃,走向为W86°S度的断面坡面温差为1.38℃,说明高原上无论路基走向如何,路基两侧坡面都存在温度差异,因此,两侧必须采取差异设计,以减少路基温度的不对称。同时,根据路基接收太阳能辐射反演路面及边坡表面温度,提出了工程热边界的简化计算模型,并将模型计算结果与实测数据进行对比,两者吻合较好。
为了应对在青藏铁路建设桩基础设计中由于未来气候变暖可能导致的冻土融化及承载力下降问题,以传热学理论为基础,建立了冻土地基单桩地温场的热分析模型,采用有限单元法考虑裸露桩基表面吸收太阳辐射的同时,在大气自然对流换热、冻土相变、气候变暖等条件下,计算分析了典型湿润性永久冻土区在未来30年单桩地基桩土体系的温度变化及其长期承载力的变化趋势。研究结果表明:地表以下3～20m在2010～2040年30年间,天然地温与桩土体系温度随着时间均有升高,单桩承载力在未来时间内有降低趋势;2040年夏季桩基承载力较2010年同期下降了41.5%,冬季桩基承载力较2010年同期下降了28.6%;在未来的寒区桩基础设计中应充分考虑这一"动态因素",对于目前已建成桩基础,提出合理有效的提高桩基承载力的措施是解决这一问题的关键。
以传热学理论为基础建立冻土区单桩地温场的热分析模型,采用有限单元法在考虑裸露桩基表面吸收太阳辐射同时与大气自然对流换热、冻土相变、气候变暖条件下,计算了青藏高原典型的湿润性永久冻土区桩周冻土未来40 a的升温过程及桩基承载力变化,分析裸露桩长和初始年平均气温对地温及桩基承载力的影响。结果表明:太阳辐射和气候变暖使桩土界面温度升高导致单桩承载力降低;裸露桩长越长吸收的太阳辐射越多,主要体现在冬季,温度升高承载力下降,夏季升温不明显;初始年平均气温对桩基础承载力影响显著,初始年平均气温升高1℃,冬季桩基础承载力下降800～1 000 kN,夏季承载力下降400～700 kN。
为了分析评价遮阳网对冻土边坡的实际降温作用,建立了冻土边坡数值计算模型,将太阳辐射作用等效为气温增量,探讨了太阳辐射对冻土边坡的地温影响,计算了不同遮阳率下的边坡融深,并结合现场监测,得到了遮阳网的实际遮阳率以及对冻土上限的提升效果。
基于青康公路阴阳坡效应显著路段——K369路段路基的地温、变形监测资料,研究路堤内阴阳坡温度场差异及其对冻土路堤变形以及路堤稳定性的影响,分析路基地温、变形特征及其相互关系。研究结果表明:(1)冻土路基在横断面上的差异沉降变形和其下地温场分布的不对称状况密切相关,地温场状况及其变化控制和决定着冻土路基变形场的状况;(2)坡向不同而引起的太阳辐射差异是造成阴阳坡热交换不对称的根本原因,也是造成路基横向差异沉降的根本原因;(3)路基变形的发展较地温的发展有一个相对滞后的响应,这决定了路基最大沉降并不是发生在最大融化深度的时间。对有差异沉降的路基来说,阴阳坡两侧路基发生最大沉降的时间也不一致,阳坡一侧达到最大沉降的时间要滞后于阴坡。这种差异变形会随着时间加剧,最终导致路基纵向裂缝的发育进而严重影响路基的稳定性。
青藏线(包括青藏铁路和青藏公路)格-拉段基本呈南北走向,对其进行的长期地温监测表明,在多年冻土地区,两条线路绝大部分路段的路基出现了所谓的"阴阳坡"现象.在多年冻土地区,尤其是高含冰量的多年冻土区,阴阳坡的出现给路基的稳定性带来了极大的危害.在分析青藏线沿线太阳辐射特点的基础上指出,青藏高原上强烈的太阳辐射,再加上边坡坡向以及太阳总辐射特殊的日变化规律导致了青藏线上的"阴阳坡"现象.对于如何消除阴阳坡问题,减缓其危害性,给出了两条建议:1)在路基边坡或者路面喷涂热反射材料;2)适当降低路基高度并减小路基边坡的坡度.
多年冻土区修筑道路工程后,由于受坡向的影响,不同道路走向的路基两边坡热状况不同,从而导致路基下伏冻土的融化形态不同。鉴于青藏高原独特的自然环境以及实测地温和气象资料获取的困难性,根据青藏铁路沿线有限的实测地温,通过统计的方法建立不同道路走向路基阴阳坡浅层(0.5m)地温差与太阳辐射差的回归方程,并对该回归方程进行验证。结果表明,回归方程能较好反映北麓河地区不同走向铁路路基两边坡的年平均温差,并可为高原多年冻土区道路建设和维护提供可靠的科学依据及保障。
分析了青藏高原地区太阳辐射的特点,实测了不同路面类型获得的太阳总辐射和净辐射,计算了路表有效辐射,最终得出水泥混凝土路面和沥青路面的太阳辐射反射系数。利用实际断面地温监测数据分析了太阳辐射对于不同路面类型及其下伏多年冻土的影响,最后由太阳总辐射及大气温度反演了路表温度,并进行了验证,从而得出了一个计算路面表面温度的参数化方法。研究指出,青藏高原地区的总辐射及净辐射均很高,对冻土的稳定不利。路面太阳辐射的反射系数与太阳辐射强度及测试的位置无关,但与路面颜色的深浅关系密切;水泥混凝土路面的反射系数大约在0.48左右,沥青路面的反射系数大约在0.20左右;在相同太阳辐射强度下,沥青路面吸收的太阳辐射能量更多,其下伏的冻土也更容易受到热扰动而退化。