青藏铁路的走向为北北东——南南西,且穿过高原高海拔地区,太阳辐射较强,其路堤及路基阴阳坡的温度场差异较大.在较为严酷的冻土条件及气候环境下,考虑青藏高原气温未来百年上升3.4℃,通过瞬态热力学的有限元计算,对抛石护坡路堤未来50年内的温度场进行了预测.计算结果表明:差异一直存在,相同月份和日期的阴阳坡温度较差随年份变化极小;阴阳坡温度场差异逐年加深,下伏土层2.5 m深处的阴阳坡温度较差最大值已小于0.5℃;9月中旬和4月下旬的路堤内的冻融线的阴阳效应剧烈;阴阳坡脚冻土上限的阴阳差异在前10年较小,10到30年间逐渐增大,30年后趋于稳定,深度相差约45 cm;路基中心下的冻土上限由建成时的1.8 m退化到第50年时的8.1 m深处.

采用"块石模型"对青藏铁路抛石护坡路堤进行封闭边界条件和开放边界条件下的数值模拟计算,并对结果进行了比较分析.研究表明:在封闭边界条件下,冬季抛石层内部空气的运动趋势为冷空气下渗占据主导地位,夏季空气的主要运动方向为沿斜坡向上,其综合效果有利于路堤保冷.当采用开放边界条件时,抛石层内部的空气运动主要受到外界环境的影响,路堤内的温度场在很大程度上取决于环境温度的变化.因此,抛石层的铺设对于路堤的保冷效果没有封闭边界条件下明显和有效.

通常认为青藏铁路抛石护坡具有热二极管效应,可保护路基下的冻土。而实际情况是,在青藏高原昼夜温差比较大及高原强风的条件下,抛石护坡内发生的强迫对流将使传统抛石护坡的热二极管效应减弱或消失。应用数值仿真手段在理论上研究这种发生在抛石护坡内的强迫对流对4种传统护坡温度场的影响,即普通路基(边坡上只覆盖砂土层,无碎石层)、开放型抛石护坡、封闭护坡(碎石护坡上使用绝热材料),以及保温护坡路基(碎石护坡上加保温材料并以砂土覆盖)。研究结果表明:传统抛石护坡在高原强风的情况下,已基本失去通过主动降温来保护冻土的效果。就此,在研究中提出一种新型抛石护坡路基,即遮阳挡风型抛石护坡。经过数值仿真研究发现,这种新型路基不仅可很好地冷却地基,也可解决风砂填埋护坡和太阳辐射引起的阴阳坡问题。

多年冻土区道路病害主要是由路基下冻土温度升高融化下沉引起。由于阴阳坡差异引起路基不均匀沉降而导致的路面纵向裂缝病害严重影响了路基的稳定性。通过室内试验研究了在相同温度边界条件下普通路基和抛石护坡路基的温度分布特征,对比分析了两种路基结构的温度差异。结果表明:普通路基的阴阳坡两侧温度分布极不对称;铺设抛石护坡后,这种状况得到了很大改善,并且抛石护坡下土体温度明显降低;抛石护坡能够降低路基温度和调节路基阴阳坡的温度差异;抛石护坡是多年冻土区防治路基融沉和纵向裂缝病害的一种可行措施。

由于铁路道碴和片石铺层的对流换热为多孔介质的热传导问题,为解决青藏铁路抛石护坡路基温度的计算问题,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,应用伽辽金法推导出了多孔介质对流换热的有限元公式,对具有阴阳坡的抛石护坡路基和普通路基在未来 24 a 的温度变化分别进行了预报分析和比较。计算结果表明,对于阴阳坡温度相差 1.8 ℃的普通路基,在阴阳坡增加片石直径为 10 cm,厚度分别为 80,160 cm的抛石护坡,就能达到使路基温度对称分布的目的,消除由于阴阳坡温度差的作用而造成路基下冻土上限不对称分布、引起路基的不均匀沉降以及形成路基纵向裂缝的病害。因此,应大力推荐该种路基作为青藏铁路冻土区有阴阳坡路段的路基结构,以便最大限度地保护冻土区的铁路。

在全球气候转暖对多年冻土影响的情景下 ,开展了在多模式下气温升高对冻土上限的影响试验研究 .针对不加抛石遮阳棚、加抛石、加抛石遮阳棚 3种情况 ,地表温度均采取基本温度加 2次不同升温冻融循环 ,每次温控指标逐级提高 0 .5℃ ,即地表温度 3次变化依次按照 - 16 .1～ 5 .8～ - 13.3℃、 - 15 .6～ 6 .3～ - 12 .8℃、 - 15 .1～ 6 .8～ - 12 .3℃进行 .结果表明 ,加抛石及遮阳棚对多年冻土上限有着明显的影响 ,冻土上限的变化与气温基本上呈正相关 ,为寒区道路工程设计与施工提供了理论参考依据