高原冻土铁路路基温度特性的有限元分析

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。     

高温高含冰量冻土路基流变特性数值分析

推导冻土相变温度场的数学模型及有限元计算公式,在此基础上分别利用热弹塑性和热弹塑性-蠕变的本构关系,考虑融土和冻土的应力和变形,给出相应的有限元计算公式.以青藏铁路北麓河试验段为计算模型,计算冻土路基的温度场和温度影响下的应力、变形场,并且与实测温度和路基变形数据进行对比分析.计算和分析结果表明:冻土路基下多年冻土层温度随着路基使用年限的增加而逐步升高,形成高温冻土层;冻土路基变形随着时间的增加而增加,最后趋于稳定,这表明冻土的蠕变为衰减型蠕变;路基修筑后3～5年的变形量占变形的绝大部分,此后路基变形进入一个相对稳定的阶段,可满足铁路的正常运营.     

青藏铁路多年冻土区普通路基地温监测及其预测分析

青藏铁路多年冻土区局部地段以普通路基形式通过,其稳定性与铁路的正常运营密切相关。2002～2003年在北麓河布置了普通路基试验段,用于监测路基的温度状态。基于监测资料,分析路基边坡温度变化过程、路基及下部土体温度场分布以及进入多年冻土的热流量。结果表明,阳坡面年平均温度比阴坡面高2.9℃,阴坡面温度年较差比阳坡面大2.2℃。受地表温度边界条件控制,路基阳坡下土体融化深度明显大于阴坡,且路基下部土体处于升温状态。路基下部土体不同部位主要表现为吸热强度逐年略有减小的吸热状态。模拟计算50年气温升高1℃条件下路基温度场,结果表明50年后路基冻土上限下降明显,并且冻土温度主要介于0～-0.5℃之间。     

青藏高原多年冻土区热棒路基设计计算

结合青藏铁路试验工程,在分析热棒路基热周转特性的基础上,建立热棒路基热工计算模型,阐述热棒路基的设计计算过程,讨论设计计算中基本参数的选取,热棒产冷量的计算,产冷量与间距、蒸发段长度、散热面积的关系,安全系数的选取。青藏铁路多年冻土区清水河试验段热棒路基的设计计算结果表明:采用直径76 mm、散热面积3.27 m2、蒸发段长度5 m的热棒,能够很好地起到保护多年冻土的作用,其产冷量达1 900 MJ。热棒的合理纵向间距应在3.5~4.0 m;安全系数在1.1~1.2。相比之下,散热面积、蒸发段长度对产冷量的影响较明显,热棒直径的影响较弱。     

青藏铁路多年冻土区热棒路基的设计计算

研究目的：热棒作为一种主动保护多年冻土的措施，已在青藏铁路多年冻土区路基工程中得到广泛应用。但是，由于缺乏现场测试资料，多年冻土区热棒路基的设计计算始终是一个难题。研究方法：根据青藏铁路多年冻土区清水河试验段热棒路基的现场观测资料，计算了2002--2003年寒季热棒的有效传热影响范围、最大传热影响范围和热棒的产冷量以及传热影响范围内热棒蒸发段土体温度的降低值，并根据计算结果提出了热棒设计所应采用的纵向间距。研究结果：（1）清水河试验段天然地面热棒的有效传热影响范围为1．50m，最大传热影响范围为2．16m；（2）寒季热棒工作期间的总产冷量为1149MJ；（3）寒季最大传热影响范围内热棒蒸发段对应土体温度的平均降低值为0．95℃。研究结论：为保证热棒传热影响范围内土体温度有较大的降低值，工程设计时热棒的纵向间距以3．0m为宜。     

青藏铁路安多段多年冻土斜坡路基

通过对青藏铁路安多段多年冻土斜坡路基试验点地温的监测,分析2003年12月～2006年10月3个冻融周期内的地温变化特征,指出由于路基的坡向不对称与几何形态的不对称所导致的斜坡路基温度场呈强烈的不对称.从3年人为上限的变化看出,路基已基本进入热平衡状态;用有限元模拟路基修筑后2年的人为上限变化,与实测对比,验证了模型建立的合理性,并通过计算预测未来30年的温度场,得出多年冻土有向季节性冻土退化的趋势.     

青藏铁路安多段多年冻土斜坡路基地温特征分析与预测

通过对青藏铁路安多段多年冻土斜坡路基试验点地温的监测,分析2003年12月~2006年10月3个冻融周期内的地温变化特征,指出由于路基的坡向不对称与几何形态的不对称所导致的斜坡路基温度场呈强烈的不对称。从3年人为上限的变化看出,路基已基本进入热平衡状态;用有限元模拟路基修筑后2年的人为上限变化,与实测对比,验证了模型建立的合理性,并通过计算预测未来30年的温度场,得出多年冻土有向季节性冻土退化的趋势。     

多年冻土区铁路通风路基室内模型试验研究

介绍了青藏铁路多年冻土区通风结构路基内模型试验的研究结果。分析了模型路基典型部位的温度随时间的变化情况及整个路基2个典型断面在最低负温，最高正温和融化期结束时的温度场特征。通过对不同周期内对应时刻温度场的对比分析表明：随着时间的推移，路基土体的温度有明显的降低，最大融化深度有逐渐减小，这说明通风管路基结构形式能够有效地为路基提供冷能，发挥保护冻土，维持路基稳定性的作用。沿着风向方向，路基温度场呈不对称分布；通过通风管中心的断面和位于两根通风管中间的断面温度场在同一时刻非常相似，说明在路基的横断面上温度分布是对称的。     

季节性冻土地区铁路路基冻结深度变化规律研究

对哈齐(哈尔滨—齐齐哈尔)客运专线DK221+150断面温度场进行实测,并对该断面温度场进行了二维有限元分析,研究季节性冻土地区铁路路基冻结深度变化规律及其影响因素,并拟合出冻结深度与热通量及持续冻结时间的函数关系。结果表明:该地区铁路路基最大冻结深度约0.3 m;路基冻结深度主要取决于浅层土体的热通量及持续冻结时间;当表层热通量降低至某一临界值后,土体冻结深度不再发展,冻土厚度开始逐步减少;冻结深度与热通量、持续冻结时间呈线性关系,随着冻结状态时间的延长,热通量的敏感性下降,持续冻结时间敏感性上升。     

青藏铁路多年冻土区热棒路基温度场三维非线性分析

高温高含冰量的多年冻土地段,极易受外部条件的扰动而发生变化。针对此类冻土的特征,提出了热棒路基。根据带相变热传导有限元方法,对普通路基、热棒路基在未来50年青藏铁路沿线气温上升1.0℃情况下的温度场进行了预报分析和比较。计算结果表明,在年平均气温为-3.5℃或年平均地温为-1℃的地区,在青藏铁路50年的使用期内,普通路基在气温升高条件下路基下伏冻土都将发生融化,路基将会产生较大融沉变形,不能保证青藏铁路路基的稳定性。热棒路基具有主动冷却的作用,可以更好的保护冻土。路基计算结构表明,在未来50年气温上升1.0℃的条件下,在年平均气温为-3.5℃或地表温度为-1.0℃的青藏铁路沿线多年冻土地区,热棒路基可以抵消气候变暖的影响,可以保证路基下伏冻土不发生融化,从而可以保证路基的稳定性。