寒区冷却路基的冷却效果分析

论文摘要

随着西部大开发建设和东北老工业基地振兴等国家政策的实施,未来几十年将是我国在寒冷地区进行大规模基础建设的高峰期,作为经济发展头号任务的交通建设必将在寒区加快建设步伐。因此,在海拔较高的青藏高原地区必将修建越来越多的寒区道路。但是,目前国内外在寒冷的高海拔地区修建的寒区路基都存在着不同程度的病害,从既有寒区路基的病害形式来看,较为普遍的病害形式是路基的冻胀和融沉。因此如何采取有效的措施和路基形式以改变路基土体本身的水热状况,减少路基土体对其下部多年冻土的影响,从而保证路基的稳定,已成为了各国冻土工程研究者的研究对象。国内外许多专家学者分别提出了多种当今应用于工程实践中的冻土路基工程防护措施,如遮阳棚、通风管路基、块石通风路堤、热棒以及在路基中铺设保温材料等。以上各种措施虽然对解决冻土区的道路病害起到了一定的效果,但是也各自存在着不同的弊端。在全球环境逐渐变暖的大趋势下,长期使用会面临很大的挑战。寒区冷却路基作为一种新的路基结构,在积极主动保护冻土方面起到了较好的作用。它通过在路基中沿道路的纵向依次埋设若干个封闭的水箱,利用水箱中储存的水进行热交换,来实现冻土与路基外界之间的热平衡,从而达到保护冻土的目的。储存有水的水箱在路基中形成了调节热平衡的结构层,能够在热交换的相变过程中吸、放热,起到能量的储存、转换作用,可以有效的抑制冻土区路基工程的冻胀和融沉等病害。其建筑成本及使用成本都低于采用热棒的技术,而效果又优于上述几种措施,具有普遍的使用意义。本文将从此种路基结构的温度场特征、基底处中间节点年平均地温随时间的变化以及不同时刻路基中线位置地温随深度的变化来分析其冷却效果。本文首先按照外部气候条件、冻土内在因素以及路基工程特点,对冻土路基温度场的影响因素做了分析;然后根据热传导微分方程应用焓场建立了含相变的路基非稳态温度场有限元分析模型,并对有限元公式中各个参数的计算做了详细的推导。最后,采用有限元软件ANSYS分别对普通路基和寒区冷却路基的温度场及地温变化规律进行了分析计算,得出冷却路基抬升了冻土上限,其水箱结构层具有在冷季抑制冷量下输、暖季屏蔽热量的双重作用,在积极主动地保护冻土方面起到了较好的作用,并对全球气温变暖趋势下寒区路基的修建提出了建议。这为寒区路基工程的修建提供了理论依据和参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 冻土的国内外研究现状
• 1.2.2 冻土路基工程的国内外研究现状
• 1.2.3 冻土路基温度场的国内外研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 多年冻土地区路基温度场的影响因素
• 2.1 外部气候条件
• 2.1.1 气温
• 2.1.2 太阳辐射
• 2.1.3 风速、风向
• 2.1.4 坡面水分蒸发
• 2.1.5 降雨、降雪
• 2.2 冻土内在因素
• 2.2.1 青藏沿线多年冻土的平面分布
• 2.2.2 多年冻土天然上限
• 2.2.3 地下冰含量
• 2.2.4 土质
• 2.3 公路工程特点
• 2.3.1 路基高度
• 2.3.2 路线走向
• 2.3.3 路面类型
• 2.4 多年冻土区路基修筑新技术
• 2.5 本章小结
• 第三章 寒区路基温度场的理论研究
• 3.1 一般非稳态温度场的控制方程
• 3.2 伴有相变的路基非稳态温度场的控制方程
• 3.3 热传递的基本方式
• 3.4 模型参数的确定方法
• 3.4.1 焓值的计算
• 3.4.2 导热系数的计算
• 3.5 本章小结
• 第四章 寒区冷却路基的降温效果分析
• 4.1 路基温度场数值模型的建立
• 4.1.1 普通路基的计算区域
• 4.1.2 普通路基的有限元模型
• 4.1.3 寒区冷却路基的计算区域
• 4.1.4 冷却路基的有限元模型
• 4.1.5 边界条件
• 4.1.6 材料特性参数
• 4.2 寒区冷却路基的冷却效果分析
• 4.2.1 普通路基和冷却路基的温度场比较分析
• 4.2.2 寒区冷却路基地温变化规律分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 主要结论
• 5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果