为了研究修筑公路对高海拔多年冻土层热状态的影响，开展了新藏公路多年冻土区路段沿线病害调查，在海拔5 400 m地带修筑了冻土地温监测断面与气象监测站点；对气温、地温、辐射强度进行了监测，依据监测结果计算了冻土上限处的热流通量，分析了多年冻土层地温变化特征；基于热传导和热扩散理论，建立了天然地基及普通路基下部多年冻土地温-深度理论预测模型。研究结果表明：多年冻土区公路病害主要由于沥青路面大量吸热导致，热棒、隔热层等主动、被动保护的手段虽有一定效果，但不能改变多年冻土的快速退化；研究区域天然地基与路基中心一天内温差最高达19.66℃,左、右路肩一天内温差最高为4.94℃,天然地基下深层多年冻土温度稳定在-6.0℃左右，路基中心下部深层多年冻土温度稳定在-5.6℃左右，路基下部相较天然地基温度变化更为剧烈，且等温层温度更高；研究区域的辐射强度在一天的10:00～18:00显著增强，在一年的3～6月为辐射强度的顶峰期，浅层地温主要受辐射强度的年周期变化影响；天然地基、路基中心、阴坡路肩与阳坡路肩下部多年冻土层年热流通量依次为-4 001、-14 649、-4 487与58 303 kJ·m
为了研究修筑公路对高海拔多年冻土层热状态的影响，开展了新藏公路多年冻土区路段沿线病害调查，在海拔5 400 m地带修筑了冻土地温监测断面与气象监测站点；对气温、地温、辐射强度进行了监测，依据监测结果计算了冻土上限处的热流通量，分析了多年冻土层地温变化特征；基于热传导和热扩散理论，建立了天然地基及普通路基下部多年冻土地温-深度理论预测模型。研究结果表明：多年冻土区公路病害主要由于沥青路面大量吸热导致，热棒、隔热层等主动、被动保护的手段虽有一定效果，但不能改变多年冻土的快速退化；研究区域天然地基与路基中心一天内温差最高达19.66℃,左、右路肩一天内温差最高为4.94℃,天然地基下深层多年冻土温度稳定在-6.0℃左右，路基中心下部深层多年冻土温度稳定在-5.6℃左右，路基下部相较天然地基温度变化更为剧烈，且等温层温度更高；研究区域的辐射强度在一天的10:00～18:00显著增强，在一年的3～6月为辐射强度的顶峰期，浅层地温主要受辐射强度的年周期变化影响；天然地基、路基中心、阴坡路肩与阳坡路肩下部多年冻土层年热流通量依次为-4 001、-14 649、-4 487与58 303 kJ·m
为分析不同测试方法对青藏工程走廊带内多年冻土导热系数测试结果的影响规律,指导冻土工程的热工设计和为走廊带内冻土导热系数的测试方法选择提供依据,搭建了稳态对比法、稳态热流计法、瞬态平面热源法和瞬态热线法冻(融)土导热系数试验测试平台,运用理论模型对稳态对比法测试过程中径向漏热量进行了估算,分别从测试结果准确性、适用土性类别和适用场合等方面对各类测试方法进行了对比。结果表明:稳态对比法试验结果与文献理论值相差较大,测试过程中径向漏热量无法忽略;稳态热流计法和瞬态平面热源法的测试结果与理论计算值具有较好的一致性,80%以上的测量值与理论值相对误差小于±15%;瞬态热线法测试结果整体偏小,冻、融土平均偏小17.75%和15.03%.考虑到瞬态平面热源法测试结果准确,测试时间短,样品需求量小,因而是一种合适的青藏工程走廊带冻(融)土导热系数大规模测试方法。
为分析不同测试方法对青藏工程走廊带内多年冻土导热系数测试结果的影响规律,指导冻土工程的热工设计和为走廊带内冻土导热系数的测试方法选择提供依据,搭建了稳态对比法、稳态热流计法、瞬态平面热源法和瞬态热线法冻(融)土导热系数试验测试平台,运用理论模型对稳态对比法测试过程中径向漏热量进行了估算,分别从测试结果准确性、适用土性类别和适用场合等方面对各类测试方法进行了对比。结果表明:稳态对比法试验结果与文献理论值相差较大,测试过程中径向漏热量无法忽略;稳态热流计法和瞬态平面热源法的测试结果与理论计算值具有较好的一致性,80%以上的测量值与理论值相对误差小于±15%;瞬态热线法测试结果整体偏小,冻、融土平均偏小17.75%和15.03%.考虑到瞬态平面热源法测试结果准确,测试时间短,样品需求量小,因而是一种合适的青藏工程走廊带冻(融)土导热系数大规模测试方法。
为了解多年冻土区灌注桩浇筑后的桩体温度分布特性、变化规律和桩–土传热过程,基于青藏高原北麓河钻孔灌注桩现场实体试验观测结果和理论分析开展系统研究。结果表明:随着混凝土的灌注完成,首先在桩体与周围土体传热过程方面,桩体表现为较为明显的分层现象,多年冻土上限附近以上部分桩体放热热流相对较弱,而以下部分相对较强;其中热流矢量方向以水平为主,深度垂向方向相对很小、且也主要集中于多年冻土上限附近。其次,在温度变化方面,桩体上、下部分表现为不同的温度变化过程。上部经历了快速升温和缓慢的降温过程,而下部表现为较为稳定的降温过程,并由此导致桩体深度方向温度较大的差异性,最大温度梯度达到约11℃/m,其中热量主要聚集在桩体上部、并形成高温核。因此,桩底可能存在因温度过低引起的强度不足问题;以及大温差可能导致的沿深度方向混凝土温度裂缝和开裂的产生。工程中建议合理控制入模温度或使用低温早强混凝土,以提高混凝土的养护温度并减少温度裂缝的产生。
导热系数是冻土热学性质中一项重要物理指标,它反映了土体传递温度的能力,是管道温度场以及下覆冻土融化圈的重要影响因素。导热系数的测量方法有很多,但不同试验方法对同一种土所测得的结果却存在较大差异。分别采用热线法、热流计法和比较法对中俄原油管道沿线的冻土原状样与扰动样进行了导热系数的测定,并对试验结果进行了回归分析。通过对比不同试验方法、不同土质类别等因素对导热系数的影响,分析对中俄原油管道工程沿线不同类型的管道地基土所采用的每种测量方法的适用范围。试验结果表明:对于同一种土,热线法的导热系数试验结果最大,热流计法的试验结果最小,而原状土样的试验结果则大于扰动土样的试验结果。可见,对细粒土扰动样的导热系数测量宜采用热线法,对细粒土原状样的导热系数测量宜采用比较法;而粗粒土由于受含泥量的影响,对扰动样的导热系数测量宜采用热流计法,对原状样的导热系数测量宜采用比较法。
框架通风锚管多年冻土边坡支护结构是基于"积极保护冻土"的原则提出的一种同时具备通风降温功能和锚固功能的新型多年冻土边坡支护结构,为了推动该结构在工程中的应用,现对其降温效果进行研究。首先,对通风锚管与土体之间的管壁换热机制进行分析,得出考虑风速影响的管壁热流密度计算公式;然后建立通风锚管径向传热模型,以管壁热流密度作为锚管边界条件,通过摄动方法求解,得出径向冻结锋面扩展的降温效果评价指标;同时,基于能量守恒定律得出通风锚管轴向坡面融深变化的另一降温效果评价指标;采用自主研发的有限元程序对通风锚管的降温效果进行数值模拟,并结合理论结果进行验证分析。结果表明:管壁的热交换作用是对流换热和蒸发散热两种作用的叠加;通风锚管具备较好的降温效果,且受管壁开孔率的影响较大;给出的评价指标能够全面的评价通风锚管的降温效果;有限元结果也证实了通风锚管良好的降温效果以及评价指标的合理性。研究成果能够为结构的设计提供理论依据和指导。
框架通风锚管多年冻土边坡支护结构是基于"积极保护冻土"的原则提出的一种同时具备通风降温功能和锚固功能的新型多年冻土边坡支护结构,为了推动该结构在工程中的应用,现对其降温效果进行研究。首先,对通风锚管与土体之间的管壁换热机制进行分析,得出考虑风速影响的管壁热流密度计算公式;然后建立通风锚管径向传热模型,以管壁热流密度作为锚管边界条件,通过摄动方法求解,得出径向冻结锋面扩展的降温效果评价指标;同时,基于能量守恒定律得出通风锚管轴向坡面融深变化的另一降温效果评价指标;采用自主研发的有限元程序对通风锚管的降温效果进行数值模拟,并结合理论结果进行验证分析。结果表明:管壁的热交换作用是对流换热和蒸发散热两种作用的叠加;通风锚管具备较好的降温效果,且受管壁开孔率的影响较大;给出的评价指标能够全面的评价通风锚管的降温效果;有限元结果也证实了通风锚管良好的降温效果以及评价指标的合理性。研究成果能够为结构的设计提供理论依据和指导。
采用热线法和热流计法分别对粉质黏土的冻土试样和融土试样进行了导热系数的测定。两种试验结果均反映出导热系数随含水率增大而增大,随干密度增大而增大的变化规律。通过回归分析得出导热系数受含水率的影响明显大于干密度的影响。将两种试验方法所得结果进行比较,并进行差异显著性检验。两种试验方法中,热线法所得导热系数更大,而试验方法的不同对导热系数的数值影响十分显著。在实际工程中进行温度场模拟和热工计算时,需要选择适当的试验方法获取数据,以避免分析结果严重偏离实际。
本次试验采用热线法和热流计法分别对冻土导热系数进行测定,通过对比两种试验方法所测得的结果,并与相关规范进行比较,为今后在工程实践中测试方法的选取提供参考依据。