多年冻土区隧道传热模型及温度场分布规律

针对高温多年冻土区隧道传热模型及温度场分布规律开展深入的理论分析、数值模拟和现场监测研究。首先,基于热传导理论,建立隧道衬砌和围岩径向传热模型,利用叠加原理和拉普拉斯变换法求得寒区隧道衬砌和围岩的温度场理论解;其次,建立洞内空气的传热微分方程,根据能量守恒原理,建立隧道纵向洞内空气与洞壁的气-固耦合传热模型,结合径向温度场理论解,提出多年冻土区隧道衬砌、围岩及洞内空气的三维温度场计算方法,该计算方法可考虑围岩、衬砌、保温层等多层传热介质及隧道沿洞轴线的不同埋深;最后,根据依托工程现场实测数据,反演围岩的热物性参数,并运用推导的隧道纵向传热模型和横向传热模型,分析姜路岭隧道不同冻土区内衬砌和围岩中的温度场分布规律。研究结果表明：在隧道径向,多年冻土和非冻土围岩温度都会随洞内气温的变化而产生波动,距离围岩表面越近,温度振幅越大,且热量在围岩径向传递过程中有一定的滞后性;在隧道纵向,在一年中最冷时刻,隧道衬砌及围岩温度呈“两端低,中间高”,此时姜路岭隧道围岩、二衬表面最高温度分别为-2.72℃,-7.80℃;在一年中最热时刻,衬砌温度呈“两端高,中间低”,此时姜路岭隧道二衬表面最低温度为1.92℃,但由于受围岩初始地温的影响,围岩表面的温度呈倒V形,最低温度为-1.22℃。     

基于变形分析的多年冻土地区路基高度效应研究

青藏公路病害调查资料表明:热融沉陷是多年冻土区主要的路基病害之一,提高公路路基高度可以有效地控制路基变形,防止融沉病害.针对这一工程问题,提出了“冻土路基高度效应”的概念,描述因路基高度变化而引发的冻土路基变形、破坏等规律.基于冻土路基热弹塑性融沉计算模型,得到了不同温度条件下,路基变形随路基高度的变化规律,与实测数据相比,计算模型合理可行.计算结果表明:冻土路基的变形主要受控于多年冻土层的融沉变形;“路基高度效应”对于冻土路基变形影响较大;高温多年冻土区的路基融沉变形十分可观,其变形速率尤其值得关注.     

青藏公路高温冻土区沥青路面下土体热动态分析

利用青藏公路多年冻土区温度的监测资料,分析了高温冻土区普通路基下冻土的热状态及其人为上限的演变特征,并与自然地表下的变化特征进行对比。结果表明:1)沥青路面近地表温度年增幅明显大于自然地表的温度年增幅;2)与自然地表下相比,沥青路面下深部(h>6m)土体具有较小的温度梯度,对外界热扰动敏感;多年冻土温度逐年升高,不利于路基的长期稳定;3)高温冻土路基下浅部土体,冻结期明显小于融化期。融化期时间提前至3月底4月初,而冻结期开始时间与自然地表下均为11月底;融化深度大于冻结深度;4)沥青路面下多年冻土人为上限逐年下降,下降速率快于多年冻土天然上限下降速率,并且在多年冻土顶板上部已经形成贯通的融化层,融化层厚度逐年加厚。     

基于对流-导热耦合作用的寒区隧道保温隔热层研究

寒区隧道的抗冻措施研究对隧道建设有重要意义,基于对流-导热耦合作用的非稳态传热有限差分计算模型,计算分析寒区隧道多年冻土和非冻土段外贴式及中隔式保温隔热层的保温隔热效果,并对寒区隧道纵向铺设保温隔热层后的抗冻效果展开研究。结果表明:1)在非冻土地层外贴式保温层保温效果较佳,在多年冻土地层中隔式隔热层隔热效果较佳,两者效果相差不大;2)受周期性入口风温的影响,隧道衬砌背后温度呈现周期性变化,变化幅度逐年递减。在材料、施工允许的前提下,建议采用外贴式保温隔热层;设计时,保温隔热层厚度应作经济技术比选。本文研究成果可供寒区隧道设计者与研究者参考。     

东北岛状多年冻土分布特点及其公路路基设计对策

以东北岛状多年冻土的冻土温度高、受地表植被及土质岩性和地表水影响大、分布面积小、冻土厚度薄等特征为依据,结合对已有的多年冻土区公路建设的成果提炼后再创新,按预先融化冻土、控制冻土融化速率和保护冻土的路基设计原则,分别提出了冻土厚度小于2 m、大于2 m的路基设计技术方案,对东北岛状多年冻土区的公路路基设计具有重要指导意义.     

青藏公路多年冻土区片、块石路基试验工程及应用研究

多年冻土区修筑公路等建筑物后,改变了多年冻土地表的冻土水热条件,造成多年冻土融化,路基失稳,导致一系列的公路病害.片、块石利用多孔介质自然对流传热和热屏蔽特性,有利于保护冻土,保持路基稳定性.在研究片、块石路基作用机理的基础上,根据青藏公路K3005 500～K3006 450路段修筑试验工程,分析片、块石路基的工程效果.通过对观测地温数据的分析认为,片、块石路基有效改善了多年冻土区路基下热状况,是一种有效保护多年冻土的工程措施.     

多年冻土地区的公路路基温度场研究

以青藏公路为研究对象,采用数值计算方法模拟其多年冻土区路基温度场,对冻土路基温度场的影响因素及其分布进行了分析。最终得出以下结果,路基温度场数值模拟表明,自然上限在第一年为1. 81 m,相对于低路基而言,此时高路基形成冻结核,路基内形成融化楹,随后开始冻结天然地表,边坡和路面的地温高于天然地表,会出现滞后现象。人为上限受边坡影响较小,在寒区道路工程中,边坡坡度不是影响路基热稳定性的主要因素。当修筑完成保温护道后,将会进一步增强天然地表受热面,如果天然地表的温度低于保温护道表面年均温度时,就会增大年平均地温差值。在深度相同时,阳坡土体温度大于阴坡,在路基横断面,冻结线为倾斜的非对称分布。     

季节性冻土区路基差异性沉降控制

分析了季节性冻土区域的路基温度分布情况,从大气温度和地表温度出发,得出沿路基深度的温度分布规律;研究了影响道路路基差异性沉降的地质条件和因素,探究温度、冻土类型、路基处理方式等对差异性沉降的影响;通过研究结果汇总,提出了季节性冻土道路路基沉降的预防措施,有效抑制了沉降的产生。为今后季节性冻土道路路基沉降的设计施工提供有益参考。     

基于太阳辐射效应校正的高原铁路廊道地热异常区识别研究

为提高热红外遥感识别地热异常区的准确度，选取高原铁路廊道作为研究区，基于Landsat8数据采用单窗算法反演得到白天地表温度，并基于ECO2LSTE数据得到夜间地表温度；然后，利用随机森林方法选取海拔、坡度、坡向、累积太阳辐射、NDVI、NDSI、NDWI以及反照率作为输入因子，得到去除太阳辐射效应的地表温度；最后，选取去除太阳辐射效应的地表温度、断裂密度、到水系距离和地磁异常作为指标因子，采用确定性系数模型定量识别地热异常区，并利用已知温泉点对结果进行评价。结果表明： 1）随机森林方法可有效去除非地热引起的温度变化，减弱太阳辐射效应，提高地热异常区识别的准确度； 2）地热异常区评价结果与已知温泉点分布较为一致，高异常区和中异常区的识别结果可靠； 3）高原铁路廊道主要途经7个地热异常区，经过高异常区和中异常区的廊道长度分别为72 km和125 km，泸定—康定、理塘盆地及周边、巴塘、贡觉、昌都—察雅、八宿、波密—鲁朗是需要重点防范高温热害的区段。研究结果初步实现了高原铁路廊道的地热异常区定量化和精细化识别。     

寒区路基新结构设计原则——粒径改良路基

基于主动保护冻土的思路,提出了一种新型的寒区路基新结构——粒径改良路基。主要通过路基填土颗粒的筛分、颗粒重组来改变路基与大气之间的热交换关系,最终达到保护冻土的目的。同时,分析了粒径改良路基的设计原则及其工作原理,并对路基填土粒径和填筑方式进行了研究,认为粒径改良路基具有保护多年冻土的作用,其设计原则可供类似寒区路基结构设计参考。     

多年冻土路基融沉数值模拟

为考察多年冻土路基在温度变化下的融沉问题,建立了相应的有限元模型。通过选取典型断面,在青藏公路实测数据的基础上进行了路基温度场计算模拟,其结果为后续的路基融沉提供了温度场-力学耦合计算的前提。路基融沉计算模型在导入温度场后,分别进行了自重作用和温度作用下的融深对地基沉降变形影响的计算。结果表明,不同的冻土融深对沉降变形影响不同。多年冻土地区修建公路,应采取措施保护冻土上限,减小路基融化深度。最后,在融沉计算的基础上提取了相应的融沉曲线回归式。     

季节性冻土路基冻胀时的稳定性分析

冻胀是季节性冻土区路基、多年冻土区路基冻害的主要原因。运用有限元程序对冻胀时的路基稳定性进行分析,得出冻胀时的应力和应变。     

典型多年冻土区公路地温观测研究

为了研究多年冻土区地温分布及其演化规律,基于国道G314线布伦口-红其拉甫段路基地温现场监测资料,采用热传导理论和非线性分析方法对沿线多年冻土地温数据进行回归拟合,建立了不同地段的地温波动预测模型。研究结果表明:不同监测时段的冻土地温变化规律基本相同,在2~3.5m深度范围内,温度降幅较大;3.5m以下温差变化相对缓慢,在0℃线左右波动,并逐渐趋于稳定。多年冻土地温预测值与实测值相关系数均在0.96以上,预测效果良好。研究成果可为冻土路基地温预测、变形监测和降温措施制定提供参考。     

通风管路基的调温机理

考虑通风管路基中通风管的空气对流换热特点,摈弃把通风管的影响作为边界条件处理的方法,建立多年冻土区的通风管路基的数值模型,对设置和未设置风门的通风管路基的温度特性进行数值模拟,分析2种情况下通风管路基的调温效果,为多年冻土区的路基工程的建设和安全运营提供技术支撑.研究表明:通风管路基能够明显地降低冻土地基的温度,提高冻土的人为上限;与无风门的路基相比,有风门的通风管路基降低冻土地基的温度的效果更加明显,降温作用发生得更早,冻土人为上限的提高幅度更大,路基中心和路肩下的地基温度降低更快,且温度分布较均匀,路基温度稳定所需要的时间减少.     

高烈度地震区冻土公路隧道结构动力特性研究

为揭示高烈度地震区冻土公路隧道震动特性,借助有限元软件分别研究了多年冻土隧道在全冻、1～10m融化圈以及季节性冻土隧道在全融、1～10m冻结圈状态下,围岩与结构地震加速度、位移等动力时程响应特性。结果表明:多年冻土隧道随着融化圈深度的增加,地表及洞顶的地震加速度、位移响应均逐渐增大。融化圈为1m时地震影响最小,与全冻结状态下相比,洞顶加速度减小约9%,洞顶位移减小约22%,即适当厚度的融化圈具有一定的减震作用;季节性冻土隧道随着冻结深度的增加,地表及洞顶的地震加速度、位移响应均逐渐减小。冻结深度为10m时,地表及洞顶加速度达到最小值,全融状态下,地表及洞顶加速度达到最大值。此外,全冻状态下地表及洞顶位移小于全融状态,即全冻状态下地震作用时,破坏作用较全融状态下小。     

沥青路面建设期拌和阶段能耗与碳排放量化研究

对国道山深线(G205)唐秦界至卑家店段大中修工程中沥青路面面层建设期拌和阶段的现场调查,跟踪采集天然气表读数、电表读数、沥青温度、集料温度、拌和时间、拌合量等有效数据,应用SPSS软件探究因变量天然气和电能消耗量跟自变量间的关系,建立沥青路面建设期拌和阶段能耗与碳排放多元线性回归量化模型。根据量化模型能够计算得出该工程拌合37 615.35 t的SMA-13沥青混合料能耗为1.2×10⁷ MJ,碳排放量为6.5×10⁵ kg;拌和71 758.58 t的ATB-25沥青碎石的能耗为1.3×10⁷ MJ,碳排放量为7.1×10⁵ kg。通过与以往研究成果进行功能单位下碳排放的比较,结果相当,验证了模型的科学性。同时分析出拌合站油改气的减排幅度为29.82%,体现拌合站以天然气为主要能源的减排效益。     

基于优化遗传算法的冻土路基热物性参数反演

在冻土路基温度场模拟和稳定性分析中,冻土路基热物性参数的取值是至关重要的。基于优化的遗传算法,本文提出求解冻土路基热物性参数的反演方法,利用该方法对青藏公路冻土路基进行热物性参数反演,将计算结果和实测数据相比较,结果表明,在仅给定各反演参数取值范围的条件下,对常规遗传算法优化后进行冻土热物性参数反演具有一定的可行性和实际的工程意义。     

基质沥青与SBS改性剂的相容性分析

研究了4种基质沥青及其与SBS改性剂的相容性关系。测定SK90号、克炼90号、中海90号和东海90号4种沥青和改性剂的溶解度参数分别为9.35(4.186 8J/cm³)^1/2、9.48(4.186 8J/cm³)^1/2、9.73(4.186 8J/cm³)^1/2、9.88(4.186 8J/cm³)^1/2和9.28(4.186 8J/cm³)^1/2。元素分析表明,SK90号沥青具有更高的不饱和度(H/C=1.41),且含有较多的硫元素(5.86%)。红外光谱分析表明,沥青以物理共混改性为主,并出现反应性共混;荧光显微照片验证了其相容性关系。     

高纬度多年冻土区路基工后温度变化规律研究

为掌握大兴安岭多年冻土地区路基工后温度变化规律,选取中俄原油管道漠大线林区伴行路典型多年冻土区路基断面,采用DS18B20温度传感器对建成通车后的路基进行为期两年的温度监测,分析研究路基温度变化、冻土年平均地温、冻土上限变化和冻土温度阴阳坡差异。结果表明:路基范围内各测温点不同深度温度随着气温发生年周期性变化,路基浅层温度变化频繁,随着深度增加,路基内温度变化幅度逐渐减小;不同深度土层最低值或最高值温度出现的时间并不一致,下部土层最低值或最高值温度出现时间明显滞后于上部土层;路基冻结时间自11月份开始,至次年的4月中旬随着大气温度的上升开始融化,冻结时间持续5个月左右;多年冻土为热极不稳定冻土类型,且在上覆路基的影响下,多年冻土产生了严重的退化现象,路基下多年冻土的年平均温度升高;在阴阳坡效应的影响下,大气温度对阳坡面路基下地温深度的影响大于阴坡面,阳坡面路基下多年冻土的年平均地温大于阴坡面,阴坡面路基下多年冻土融化时间比阳坡面的少30 d左右。研究结果旨在更有利于我国大兴安岭地区多年冻土路基稳定性问题的进一步研究,为该地区道路工程建设和维护提供参考资料。     

基于高分影像与深度学习方法的路网提取技术研究与应用

基于高分辨率二号遥感影像数据与Wasserstein生成对抗网络深度学习模型,依据样本集制作、模型训练、路网提取的技术路线,研发面向公路管理者实际业务应用的路网提取技术。其提取精度可达70%,提取速率达2.4s/km²,大大降低了人力物力成本,相较于传统方法更具优势和普适性。将该路网提取技术应用于甘肃省白银市会宁县,通过对提取路网结果与已有路网数据的空间匹配关系进行判定,可初步实现已有路网线型错误、偏移、改道以及新增路网线型的核查,从而为道路资产核查提供坚实的技术保障,也为深度学习方法与高分辨率遥感影像在交通行业的应用提供新的思路。