为了建立多年冻土区露天煤矿软弱夹层强度与冻融循环的关系,获取相互之间的变化规律,借助三轴压缩试验对木里露天煤矿软弱夹层在增湿与冻融两条件下的冻融损伤进行了试验研究。结果表明:软弱夹层强度参数黏聚力、内摩擦角及弹性模量随含水率增加均降低且呈幂函数关系,泊松比与含水率呈类线性关系;强度参数随冻融循环次数增加总体仍呈明显下降趋势且呈指数函数关系。随着冻融次数和含水率的增加,软弱夹层的冻融损伤与耦合损伤因子均呈非线性递增趋势,冻融损伤在耦合损伤过程中起主导作用,尤其是当含水率达到13.87%之后,冻融损伤的主导作用愈加明显。
为了建立多年冻土区露天煤矿软弱夹层强度与冻融循环的关系,获取相互之间的变化规律,借助三轴压缩试验对木里露天煤矿软弱夹层在增湿与冻融两条件下的冻融损伤进行了试验研究。结果表明:软弱夹层强度参数黏聚力、内摩擦角及弹性模量随含水率增加均降低且呈幂函数关系,泊松比与含水率呈类线性关系;强度参数随冻融循环次数增加总体仍呈明显下降趋势且呈指数函数关系。随着冻融次数和含水率的增加,软弱夹层的冻融损伤与耦合损伤因子均呈非线性递增趋势,冻融损伤在耦合损伤过程中起主导作用,尤其是当含水率达到13.87%之后,冻融损伤的主导作用愈加明显。
基于青藏铁路K1496+750监测断面含融化夹层路基长达10 a的地温监测数据,分析了在气候转暖及工程活动下天然场地及路基左右路肩下多年冻土热状态年变化过程、融化夹层的年变化过程及其对多年冻土热状态的影响。结果表明:监测断面天然场地、左右路肩下多年冻土上限逐年下降,热稳定性逐年降低;观测期内,左路肩下发育有融化夹层,融化夹层厚度在波动中呈增厚趋势,且其增厚主要是由多年冻土人为上限下降所致,而天然场地及右路肩下未发育融化夹层;多年冻土上限附近土体热积累显著,进而导致多年冻土上限逐年下降及其附近土体温度逐年升高,弱化了多年冻土的热稳定性;后期增加的块石护坡和热管两种具有"主动冷却"效能的工程补强措施很好的改善了路基的热稳定性,右路肩经工程补强措施后,多年冻土人为上限得到显著抬升,热稳定性得到显著改善,而左路肩由于融化夹层的存在,工程补强措施仅仅维持了当前多年冻土热状态,融化夹层的存在一定程度上弱化了工程补强措施所产生的冷却效能。
基于青藏铁路K1496+750监测断面含融化夹层路基长达10 a的地温监测数据,分析了在气候转暖及工程活动下天然场地及路基左右路肩下多年冻土热状态年变化过程、融化夹层的年变化过程及其对多年冻土热状态的影响。结果表明:监测断面天然场地、左右路肩下多年冻土上限逐年下降,热稳定性逐年降低;观测期内,左路肩下发育有融化夹层,融化夹层厚度在波动中呈增厚趋势,且其增厚主要是由多年冻土人为上限下降所致,而天然场地及右路肩下未发育融化夹层;多年冻土上限附近土体热积累显著,进而导致多年冻土上限逐年下降及其附近土体温度逐年升高,弱化了多年冻土的热稳定性;后期增加的块石护坡和热管两种具有"主动冷却"效能的工程补强措施很好的改善了路基的热稳定性,右路肩经工程补强措施后,多年冻土人为上限得到显著抬升,热稳定性得到显著改善,而左路肩由于融化夹层的存在,工程补强措施仅仅维持了当前多年冻土热状态,融化夹层的存在一定程度上弱化了工程补强措施所产生的冷却效能。
以青藏高原查拉坪地区一处热融湖塘(40 m×50 m,最大深度为1 m)为研究对象,由实测数据对比分析了热融湖塘与天然地表相同深度的温度变化特征.结果表明:与天然地表相比,热融湖塘融化时间长,冻结时间短,且存在接近4℃的水温变化;受太阳辐射及热对流的影响,垂向水温梯度仅在水表从4℃降温及冻结阶段较大,其余时段接近0;湖底年均温度比相同深度的天然地表高约6.4℃,湖底下部存在约14 m深随时间发展的融区,土体吸热增大,放热减小;热融湖塘2.5～3.0 m土体的年内热交换为19592.0 k J/m2,约是天然地表的230倍,其中吸热量及放热量分别为后者的1.4倍及8.7%.湖塘下部的融化夹层是深层冻土的主要热源,湖塘对下部土体放热的抑制作用是湖塘对土体产生热影响的主要原因.
以青藏高原查拉坪地区一处热融湖塘(40 m×50 m,最大深度为1 m)为研究对象,由实测数据对比分析了热融湖塘与天然地表相同深度的温度变化特征.结果表明:与天然地表相比,热融湖塘融化时间长,冻结时间短,且存在接近4℃的水温变化;受太阳辐射及热对流的影响,垂向水温梯度仅在水表从4℃降温及冻结阶段较大,其余时段接近0;湖底年均温度比相同深度的天然地表高约6.4℃,湖底下部存在约14 m深随时间发展的融区,土体吸热增大,放热减小;热融湖塘2.5～3.0 m土体的年内热交换为19592.0 k J/m2,约是天然地表的230倍,其中吸热量及放热量分别为后者的1.4倍及8.7%.湖塘下部的融化夹层是深层冻土的主要热源,湖塘对下部土体放热的抑制作用是湖塘对土体产生热影响的主要原因.
气候变暖背景下,块石路基及通风管-封闭块石基底复合路基成为多年冻土区高等级公路冷却路基的主要结构形式.为探明不同直径块石层的渗流特征和规律,开展了立方排列球体室内风洞试验,一方面获得了渗透率和惯性阻力系数及其与球体直径间的统计关系;另一方面得到了球体层内部压力梯度与渗流速度呈二次非线性关系.基于该试验得到的参数和关系,采用多孔介质中流固耦合传热模型,通过有限体积法模拟了柴木铁路块石路基的降温效果,并利用实测数据验证了模型及参数的可靠性.在此基础之上,以青藏高等级公路特殊路基为原型,使用该传热模型开展了封闭块石基底路基和通风管-块石复合路基长期冷却降温效果的数值模拟研究.结果表明:封闭块石基底路基和通风管-封闭块石复合路基在研究期内均有降温效果,可以提高路基下人为上限,而块石夹层路基在一定时期内可以提高冻土上限,但下部土体温度升高,长期降温效果较差.
气候变暖背景下,块石路基及通风管-封闭块石基底复合路基成为多年冻土区高等级公路冷却路基的主要结构形式.为探明不同直径块石层的渗流特征和规律,开展了立方排列球体室内风洞试验,一方面获得了渗透率和惯性阻力系数及其与球体直径间的统计关系;另一方面得到了球体层内部压力梯度与渗流速度呈二次非线性关系.基于该试验得到的参数和关系,采用多孔介质中流固耦合传热模型,通过有限体积法模拟了柴木铁路块石路基的降温效果,并利用实测数据验证了模型及参数的可靠性.在此基础之上,以青藏高等级公路特殊路基为原型,使用该传热模型开展了封闭块石基底路基和通风管-块石复合路基长期冷却降温效果的数值模拟研究.结果表明:封闭块石基底路基和通风管-封闭块石复合路基在研究期内均有降温效果,可以提高路基下人为上限,而块石夹层路基在一定时期内可以提高冻土上限,但下部土体温度升高,长期降温效果较差.
为研究青藏铁路普通道碴路基和本文提出的块碎石夹层路基的温度场分布,本文将铁路道碴和块碎石夹层的对流换热简化为多孔介质的热传导问题,根据多孔介质中流体热对流的连续性方程、动量方程和能量方程,应用伽辽金法导出了多孔介质对流换热的有限元公式,并对普通道碴路基和抛石路基在未来50年的十月份温度场进行数值分析与比较。计算结果表明:在普通道碴路基中,路基下冻土的温度升高和退化,路基阴阳坡下温度的不对称性极为发育,阳坡有明显贯穿路基高温区且坡脚高温聚集,其路基结构很难保持路基及冻土的稳定性和路基的温度对称性性;而在块碎石夹层路基中,路基下冻土上限缓慢抬升且冻土地温保持良好的对称性,阴阳坡下路基温度差异较小且对称分布,坡脚没有温度聚集现象,其路基温度分布有利于保持路基及冻土的稳定性,同时说明了块碎石路基具有良好的调节路基温度的能力。