为研究多年冻土区G214高等级公路中隔热层、片石层对24 m宽路基的热影响效果,根据多孔介质的热对流及考虑相变的传热理论,分别对两种结构路基的温度场进行了模拟分析。计算结果表明:当路基宽度从12 m增加到24 m时,隔热层厚度应从10 cm增加到30 cm才可确保路基下冻土上限的稳定,但保温层所产生的热积累效应将使路基下冻土温度明显升高,且高温冻土核范围较大。从工程措施的可靠性及工程费用角度考虑,EPS隔热层不适用于G214宽幅路基中。如采用厚度大于1.8 m的片石层,则可稳定路基下冻土上限和增加冻土的冷储量,但同时要加强对路基边坡的热防护。

结合国内修筑在多年冻土区的G214线的通风管路基现场试验段测试结果,分析了通风管路基典型部位的温度随深度、宽度和时间的变化情况。结果表明:天然土体和路基中心处的温度在四季中随着深度的增加呈现的变化规律基本相同,但是路基中心处的活动层厚度较天然土体更深;路基下表面年温度变化幅度较上表面小,降温幅度较明显;路基不同位置处的地温年变化近似呈正弦状分布,且地温周期大致相同,但阴阳坡土体温度场呈现不对称性。

针对XPS板隔热层在多年冻土区路基中应用的适宜性展开研究,分析了XPS板路基形式的温度随深度、宽度和时间的变化情况。结果表明:各个测点的地温年变化近似均呈现正弦分布形式,且地温周期大致相同;各个测点的全年温差随深度增加均减小,可推断出活动层厚度;路基横断面对称位置处呈现不对称性,可能导致路基的不均匀变形。研究成果可进一步为类似工程提供依据。

结合青藏铁路清水河试验段试验,研究通风管路基的温度特性,根据通风管路基基底1m范围内和边坡位置及冻土上限位置热量周转和通风管内外温度,分析通风管路基对保护多年冻土的有效性。研究结果表明:青藏高原严寒的气候为通风管的适用性提供了环境条件;在路基中埋入通风管,不但增加了路基与空气的接触面,而且通过高原空气的强对流活动,消耗路基体中存在的热量,有效阻止路基表面吸收的辐射热量下传,起到了保护下伏多年冻土维持冻结状态的作用;通风管路基作为青藏高原多年冻土区的一种新结构形式,为青藏铁路的建设和安全运营提供了技术支撑。

根据带相变瞬态温度场问题的热量平衡控制微分方程,编制了有限元公式,在考虑气候变暖的条件下,应用有限元公式对青藏铁路不稳定冻土段旱桥的温度特性进行了三维数值分析,结果表明修建于高温不稳定冻土地段的旱桥在未来20年的运营过程中对桥桩周围的冻土有很好的制冷作用,能很好地保护冻土,保证铁路的运行安全,同时也说明了在建的青藏铁路在高温不稳定冻土地段采用旱桥的形式是可行的。

由于铁路道碴铺层的对流换热为多孔介质的热传导问题,为解决青藏铁路路基温度场的计算,本文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,引进流函数并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、抛石护坡路基和抛石路基的温度场进行了分析比较。计算结果表明,普通道碴路基的修建将使路基下冻土的温度升高,使冻土路基出现热不稳定。抛石路基和抛石护坡路基均能降低冻土路基的温度,向路基提供冷能,但抛石路基耗费石料较多,而抛石护坡路基所需石料相对较少,成本较低,因此大力推荐该种路基结构作为青藏铁路高温冻土区的路基结构,以便最大限度地保护冻土路基。

应用有限元方法 ,对一通风路基的温度特性进行了三维数值分析 .该路基在离天然地面 1m铺有管径为 0 .4m的通风管 ,通风管之间的距离为 2m ,所在地区年平均气温为 - 3 .5℃ ,年温较差 2 4℃ .数值分析表明 ,通风路基能使其下面的融化盘减小 ,最大融化深度减小 ,0℃等温上移 .该现象说明通风路基有对冻土制冷的作用 ,能达到降低冻土路基温度 ,保证冻土路基稳定的目的 .