现有的路基冻胀防控措施局限于填料改良、水分控制和隔热保温，仅能延缓季节冻土区路基冻胀发展以及削弱冻胀变形程度，缺乏有效性和主动性。本文基于主动地温控制的理念，结合季节冻土区铁路路基特征，提出了一种由太阳能供电、压缩机做功和浅层地热能利用组合的主动供热方法，在冬季为路基主动供热以补偿过度热量损失，进而消除冻胀。基于主动供热方法，研发了实现该方法的人工供热管，并构建了相应的理论计算模型。试验结果表明，人工供热管的散热管能够在较短时间内达到较高的恒定温度，其间歇运行模式有利于集热管周围地层地热能的补给，同时对散热管管壁温度影响较小。散热管管壁与周围地层的热交换效应使得地层温度快速上升，并能够维持在较高的恒定温度，有效补偿了冬季地层的过度热量损失。在粗粒土地层中，人工供热管的有效供热半径大于1.0 m，与季节冻土区铁路路基冻结深度具有较高的匹配度，验证了人工供热管在季节冻土区铁路路基中应用的可行性。
在青藏高原风火山多年冻土试验场,对太阳能制冷装置与热管制冷装置用于维护多年冻土地基热稳定的效果进行现场对比试验。结果表明:在同等试验条件下,太阳能制冷装置显现出了较强的工作性能和制冷效果;太阳能制冷装置能够以多年冻土区丰富的太阳光照为热源动力,使制冷装置不分季节全时段工作,特别是在暖季,能够有效阻止环境温度对多年冻土地基的热侵蚀;太阳能制冷装置的年均地温降低幅度比热管制冷装置的大0.57～0.96℃,制冷影响半径比热管制冷装置的大0.13～0.87m,实际制冷量为热管制冷装置制冷量的1.97倍。
介绍了青藏铁路冻土层的概况,利用热管技术来解决冻土层路基软化,通过对热管的理论分析,得出其应用在铁路路基问题影响和作用。
柴达尔-木里铁路沿线高温沼泽化多年冻土广泛发育,约20 km的冻土路基采用了热管降温措施.借鉴青藏铁路的成功经验,热管的纵向和横向间距均设计为3 m,并针对铁路东南-西北的不利走向,在阳坡布设了双排热管.为验证热管措施在多年冻土湿地路段设计参数的合理性,2008年底在柴达尔-木里铁路中段布设了热管冷却半径观测试验场,该观测场热管的施工工艺、工程地质条件、气候条件与柴木铁路热管措施路段基本相同.结果表明,如果以降温-0.5℃作为热管有效冷却半径的界定标准,以热管蒸发段中部即3.5 m作为衡量深度,采用年平均温度和年最低温度作为划分依据的热管有效冷却半径分别为2.4 m和4.5 m,均大于达尔-木里铁路所采用的热管设计参数.
文章通过对大气-热管-土体耦合传热模型进行分析简化,采用ANSYS有限元分析系统建立了热管路基三维传热模型,并以青藏铁路北麓河地区气候条件和地质条件为背景,对普通路基和热管路基进行了模拟计算与对比分析,得到了两种冻土路基不同时刻的路基温度场变化规律。
针对冻土路基裂缝潜在的危险性,结合工程实例,对倾斜式热管路基进行了现场监测和数值计算,分析了热管路基的温度变化特征,实践表明倾斜式热管能有效降低路堤内的地温,从而有效地控制路基裂缝的产生和发展。
为预测冻土路基安装热管后路基温度场的变化情况,对热管耦合冻土路基问题开展数值传热研究是一种比纯实验方法更经济可行的方法。根据是否考虑热管内部热阻及建立的热管耦合冻土路基相变传热模型,热管耦合冻土路基的数值传热算法可基本分为两类,针对这两类基本算法进行了对比分析。结果表明:通过忽略热管内部热阻,利用耦合边界处的等价第三类边界条件及根据实际地温气温条件建立的相变传热模型来研究热管耦合冻土路基问题在工程上更为可行。
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.
热管-保温板复合路基是青藏铁路应用广泛的一种新型路基结构形式。通过数学模型分析,推导出用于青藏铁路冻土路基热管的热流表达式,并用热焓法考虑冻土相变问题对该路基结构形式及无保温板情况施工后20年的路基温度场进行数值模拟。通过数值模拟可知:保温板能够有效地阻止热量由路基面向下传入地基中,使0℃等温线始终在保温板底层;复合路基多年冻土上限的位置要比无保温板时的高;该结构形式对路基中心、路肩和坡脚下的多年冻土上限抬升的综合效果更好;考虑施工条件后,复合路基在保温板铺设距离天然地面之上0.3～0.6 m对于路基稳定性最为有利;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。
为了青藏铁路多年冻土路基耦合热管优化设计的需要,建立多年冻土区天然地面耦合热管的相变传热模型,利用该模型研究不同热管管径、气候条件和冷凝段与蒸发段长度比对热管传冷量的影响。结果表明:大管径的热管对于提高热管的传冷量是有利的;在冷凝段与蒸发段长度比大于0.9的条件下,热管传冷量随长度比增大得并不明显,因此建议优化的冷凝段与蒸发段长度比取为稍大于0.9的值;与年平均气温较高的多年冻土区相比,年平均气温较低的多年冻土区更有利于热管的传冷。对比模型计算值和现场实验值表明,提出的模型与实际拟合良好。
