热棒路基降温效应的数值模拟

基于青藏公路冻土路基病害整治热棒试验工程,建立热棒路基的等效传热模型,运用有限元方法对其进行数值模拟,研究青藏公路环境条件下热棒的工作周期、工作状态与作用半径,并通过对试验工程2a观测数据分析,对比研究热棒在冻土路基中的降温效应。研究发现,热棒在约为5个月的工作周期内并非连续工作而呈波动式,实际工作时间为工作周期的2／3;热棒路基冬季降温效果明显,有利于路基土体冷储量增加,提高路基热稳定性;热棒在路基中的降温强度,水平方向随距离增大而衰减,有效作用半径为2．25m,深度方向在热棒蒸发段最大,降低上限附近季节融化层冻土热融敏感性。结果表明,青藏公路热棒试验工程中其间距采用4．0m是合理的,路基双侧设置热棒优于单侧,热棒向路基中心斜置更好。     

高海拔多年冻土区砂石路面公路的路基温度场特征

为了研究修筑公路对高海拔多年冻土层热状态的影响，开展了新藏公路多年冻土区路段沿线病害调查，在海拔5 400 m地带修筑了冻土地温监测断面与气象监测站点；对气温、地温、辐射强度进行了监测，依据监测结果计算了冻土上限处的热流通量，分析了多年冻土层地温变化特征；基于热传导和热扩散理论，建立了天然地基及普通路基下部多年冻土地温-深度理论预测模型。研究结果表明：多年冻土区公路病害主要由于沥青路面大量吸热导致，热棒、隔热层等主动、被动保护的手段虽有一定效果，但不能改变多年冻土的快速退化；研究区域天然地基与路基中心一天内温差最高达19.66℃,左、右路肩一天内温差最高为4.94℃,天然地基下深层多年冻土温度稳定在-6.0℃左右，路基中心下部深层多年冻土温度稳定在-5.6℃左右，路基下部相较天然地基温度变化更为剧烈，且等温层温度更高；研究区域的辐射强度在一天的10:00～18:00显著增强，在一年的3～6月为辐射强度的顶峰期，浅层地温主要受辐射强度的年周期变化影响；天然地基、路基中心、阴坡路肩与阳坡路肩下部多年冻土层年热流通量依次为-4 001、-14 649、-4 487与58 303 kJ·m     

多年冻土区热棒路基应用效果

为了研究热棒在青藏公路多年冻土区的应用效果,基于楚玛尔河试验监测场地8年的地温观测数据,以水平温度梯度为指标,分析了不同时期热棒的有效半径。为了提高热棒的调控效果,拓展热棒的使用范围,满足宽幅路基强吸热的使用要求,依托北麓河与安多2个试验监测场地,分析了热棒-XPS板路基与热棒-片块石路基地温监测数据。分析结果表明:热棒工作1年后的有效半径约为2.3m,此后,随着热棒工作时间的增加,热棒影响范围逐渐增大;在热棒工作的前5年,地温降幅明显,周围土体地温降幅都基本维持在0.5℃以上,之后每年降温较小,这主要是由于外界环境温度升高,气温与地温的温差逐渐减小,热棒工作的动力逐渐衰减引起的;在热棒工作的8年中,由于热棒的持续制冷作用,热棒路基的人为上限基本不变,而普通路基同时期人为上限最大降低约为80cm;热棒-XPS板路基从6月份开始,XPS板上下温差不断增大,最大温差约为17℃,有效阻隔了暖季大量热量向板下传递;热棒-片块石路基通过2年的调控作用,地温最大降幅为0.51℃。     

青藏铁路低温冻土区片石路基的温度特征

在青藏铁路五道梁低温冻土区进行了片石护道路基新结构和土护道路基结构的实体工程试验,以确定路基修筑对温度场的影响．对测试断面冻融循环的地温监测资料的分析表明,2004年片石路基左右路肩孔冻土上限处,年平均地温分别低于土护道路基相应位置0．12℃和0．14℃．2005年片石路基左右路肩孔分别低于土护道路基相应位置O．65℃和0．03℃,冻土上限以下地温均呈逐年下降趋势．片石护道和土护道路基冻土上限均存在不对称性,但随着时间发展,片石护道路基最大融化深度位置基本接近或超过天然地面,且冷生过程还在继续．该区域的片石护道路基新结构能够有效发挥降低地温、主动保护多年冻土的作用．     

热棒材料高导热性对其降温效果影响的三维非线性有限元分析

热棒在多年冻土路基工程中均有应用,其在寒季吸收冻土热量,并通过对流把热量释放到大气中,从而降低地基温度使其保持冻结状态,减小路基沉降.暖季热棒停止工作,但由于热棒材料本身的高导热性,会使土体吸收比不设置热棒时更多的热量,从而削弱其制冷效果.基于热棒的工作原理,结合唐古拉山多年冻土区的有道砟填土路基,采用有限单元法分析热棒材料高导热性对其降温效果影响.计算结果表明:考虑热棒高导热性时路基下方温度低于-0.5℃低温区半径比不考虑此因素时平均减小0.5m,地温也比不考虑此因素时高.说明热棒材料本身的高导热性降低了其降温效果,其作用不可忽略.     

高寒高海拔多年冻土区拓宽路基差异沉降

为了研究高寒高海拔多年冻土区拓宽路基面层吸热对下伏多年冻土温度与沉降的影响,建立了基于热力耦合理论的差异沉降计算的有限元模型,并利用实体工程监测数据对模型进行了修正,分析了不同季节、不同填高与阴阳坡工况下拓宽侧路基差异沉降分布规律,确定了多年冻土区最优路基拓宽位置。研究结果表明:多年冻土区拓宽路基最大融深与沉降均出现在秋季,10月份的变形最不利,病害特征最突出,其中4m填高路基第10年最大差异沉降为16.9cm,分别为7、1、4月份沉降的1.1、1.4、1.7倍;差异沉降与路基填高存在正相关性,当路基填高分别为2、4、6 m时,10年内路基的差异沉降分别为13.2、16.9、18.1cm;阴坡侧拓宽路基的温度与沉降变化小于阳坡侧,在10年内,阳坡侧拓宽路基底面最大升温为1.3℃,阴坡侧为0.6℃,阳坡侧拓宽路基最大差异沉降为16.9cm,阴坡侧为12.3cm;即使阴坡侧拓宽,差异沉降仍使拓宽路基顶面形成一个斜率为2%~3%的斜坡,进而使路面产生较大附加应力,最终造成结构层病害。     

青藏铁路多年冻土区路基温度场的模拟与预测

在多年冻土区修建铁路站场路基，打破了原来天然地表与外界的热力平衡，地下温度场将重新分布．根据此特征可推断多年冻土的发展演化趋势以及评定路基的稳定状况．结合青藏铁路某段站场路基实际监测数据，利用ANSYS软件对2002年～2030年地下温度场进行有限元数值模拟．模拟计算结果表明：路基下冻土上限发生上移，多年冻土得到了保护；在年平均气温增长0．02℃的条件下，试验段内冻土人为上限和未受路基影响的冻土天然上限均逐年下降；同时，路基阳坡、阴坡两例地下温度场分布特征的差异构成了路基不均匀变形和路面裂缝的潜在威胁．     

高寒冻土区路基变形演化规律与破坏特征

为进一步研究高寒冻土区路基变形破坏演化过程,以漠北公路K6+200断面处的高温高含冰量冻土区路基和K8+200断面处的低温高含冰量冻土区路基为研究对象,在路基不同部位和路基下不同深度处土体埋设温度传感器和变形传感器,研究了高纬度、高寒冻土区不同冻土条件下路基实测温度和变形演化过程及其特征。研究结果表明:在高温高含冰量冻土区,在公路建成2年后,路基下出现了明显的融化盘偏移现象,新建宽幅路基呈现出明显的横向不均匀变形特性,路基下形成了2个融化盘,其中一个明显向路基坡脚处偏移,左坡脚和路中冻土上限明显下降了3~4m,路基下原天然地表处沉降达4~9cm,而路肩处冻土上限基本保持稳定;在低温高含冰量冻土区,在保证一定路基高度的条件下,除了建成初期路基土体存在一定的变形(工后沉陷)外,由路基下多年冻土不均匀融化导致的变形很小,因此,在低温冻土区公路路基稳定性相对较好。可见,研究结论进一步阐释了高温冻土区路基、路面变形严重的成因,为高纬度、高寒冻土区路面结构抗融沉破坏设计和病害防治提供了参考,揭示了高温多年冻土区路基纵裂、沉陷等不均匀变形破坏的特征和成因,相比高温多年冻土区,在保证一定路基高度下低温多年冻土区路基具有相对良好的稳定性,这一结论对于高纬度、高寒冻土区不同冻土条件下冻土路基的设计及病害防治具有重要意义。     

热棒技术在伊春岛状冻土路基上的应用

详细介绍了热棒技术在伊春地区岛状多年冻土路基处理技术中的应用情况,经过一年来的长期观测效果说明,热棒技术在解决岛状多年冻土上限稳定方面具有较好的效果。     

浅谈多年冻土地区路基施工

多年冻土地区路基施工前应该详细调查沿线冻土分布、类型、冻土上下限、冰层上限、地面水及有无其他热融(湖)塘、冰丘、冰椎等不良地质路基地段情况。由于各永冻区的自然条件和土壤冻结条件差别显著,所以很难有统一的路基施工方案,施工方法应根据设计对土基冻融状态的要求而选定。     

多年冻土路基病害和几种防治措施比较

引言多年冻土(permafrost),又称永久冻土,指的是持续三年或三年以上的冻结不融的土层。西藏是中国最大冻土分布区之一,也是世界上中低纬度地区海拔最高、面积最大的冻土区。冻土的危害在于其冬冻夏融产生不均匀的冻胀和融沉,从而造成路基变形、沉陷、翻浆等病害。西藏地区高海拔、中低纬度的冻土地带,水文、地质、气象条件复杂,且具有地温高、厚度薄、热融发育的特点,对气温变化更为敏感,是困扰     

浅谈冻土对路基的危害及防治

在国家西部大开发和持续发展的大背景下,冻土地区国土资源的开发利用得到多方关注.为了解冻土区域路基冻害的形成与危害,就冻土的冻害机理与影响因素作了详尽地分析,结果表明：气温、土中含水量、地下水位高度以及土的类别是冻土形成的影响因素.针对冰冻形成原因,提出增加路基高度、采用浅色路面材料、安装热棒等多种冻害防治方案,为保证路基完整,增强行车安全提供保障.     

青藏铁路新型路基保温材料应用试验研究

为考察聚苯乙烯泡沫板(EPS)和聚氨酯泡沫板(PU)的工程应用效果,在青藏铁路多年冻土路基试验段进行了现场测试.结果表明,2种新型保温材料均具有较好的保温隔热性能,且PU板优于EPS板,保温性能与板厚之间存在非线性关系.较之对比断面,有保温板的断面基底年平均地温降低,上限抬升,有利于保护多年冻土.动态行车试验表明,保温板路基满足列车以100 km/h的速度运行的安全性与舒适性要求.     

高速公路单侧加宽老路中央分隔带合理利用研究

我国高速公路经过二十年的建设与发展．已经逐渐形成网络。早期建设的高速公路已经不能适应交通需求,需要逐步进行加宽改造。郑州至洛阳高速公路1992年建成通车．目前双向四车道已不能满足交通需求．需加宽改造．改建工程起于郑州西南绕城枢纽立交西侧2公里．止于洛阳西南绕城任庄枢纽互通立交西侧．改建工程全长106．386公里。其改建方案由双侧加宽、单侧加宽整体式路基和分离式路基组成．其中单侧加宽整体式路基路段长约81公里。本项目主要采用单侧加宽的改扩建方式,     

310国道改建工程路基加宽施工质量控制体会

陕西省宝鸡境内310国道五丈塬至潘溪段(K1284+100～K1305+500段)是陕西境内干线路网的重要组成部分,由于该段为三级公路标准,使整条道路通行能力和服务水平得不到充分的发挥。为提高干线公路通行的能力,2010年至2011年对此段道路进行了二级公路改建工程。本文通过对310国道二级公路改建工程路基加宽工程的特点进行分析,以期为国省干线公路改建工程提供一定的参考理论依据。路基加宽工程特点路线基本上沿旧路加宽改造,加宽后路基宽度为12m,除部分路段为改走新线外,其余均在旧路上进行单侧或双侧加宽升等改造为12m路基,旧路的利用率为96.43%。全线未加宽路段利用原有的路面结构的一侧,并对待     

莫斯科-喀山高速铁路沿线季节性冻土冻融特征

在莫喀高铁沿线770余公里的季节性冻土区内, 依据地貌单元、微地貌、地层岩性与水文地质条件等特征设置了14个监测场, 对季节性冻土的岩性、密度、含水率、地下水位、地温、近地面气温及雪盖的厚度和密度进行了频率为10天1次, 持续时间为7个月(2016年10月1日~2017年4月26日) 的监测, 依据监测数据分析了莫喀高铁沿线季节性冻土的冻结融化特征。分析结果表明: 莫喀高铁沿线季节性冻土区的雪盖主要存在于10月下旬至翌年4月, 雪盖厚度为20.2~38.2cm, 平均值为27.3cm, 最大积雪厚度为25~60cm, 平均值为44.4cm, 出现在2月上、中旬; 莫喀高铁沿线季节性冻土的起始冻结时间为11月中、下旬, 全部消融时间在翌年3月上旬~4月中旬之间, 存活时间为100~165d, 平均时间为122d;季节性冻土的冻结速率为0.27~1.20cm·d-1, 平均为0.50cm·d-1, 融化速率为0.27~2.52cm·d-1, 平均为1.14cm·d-1; 在土体的冻结期间, 雪盖减小了地层的冻结速率, 在土体的融化期间, 雪盖推迟了季节性冻土自上而下融化的起始时间与融化量, 并且会使季节性冻土在无雪条件下的双向融化变为自下而上的单向融化; 莫喀高铁沿线土体在自然状态(积雪覆盖) 下的季节最大冻深为0.19~0.90m, 平均为0.45m, 出现在2月上、中旬; 雪盖会减小土体的最大冻深, 在雪盖平均厚度为26.1~28.6cm时, 雪盖可以使季节最大冻深减小22.2%~32.6%;在莫喀高铁沿线的季节性冻土区, 雪盖在形成初期和消融末期保温与降温效果并存, 但主要以降温效果为主, 而在积雪稳定期, 主要以保温效果为主; 雪盖对季节性冻土热状况的影响深度和程度取决于土体含水率, 土体含水率越大, 雪盖的影响深度和程度就越小, 反之则亦然。      

多年冻土地区公路路基病害分析与处治技术

我国多年冻土分布面积约占全国面积的21.5%,约占世界多年冻土分布面积的10%,随着我国经济的快速发展及西部开发、东北振兴战略的推进,不可避免的会在多年冻土地区等复杂地形地貌区域修建高等级公路。多年冻土地区由于受到复杂的气候、工程地质和水位地质条件的综合影响,修建于冻土区的高速公路路基病害频发,使道路的使用寿命缩短,影响行车安全。国内外的专家学者对多年冻土开展了研究,铁道部第三勘察设计院于1964年组建了冻土队,与多家单位联合研究,在我国东北小兴安岭多年冻土区域开展了大量的现场     

公路旧路面病害防治及修补设计

引言 本公路项目标段均为老路加宽,采用单侧加宽、双侧加宽两种方式。老路路基宽12.0m,老路路面有沥青混凝土和水泥混凝土两种路面结构。沥青砼路面老路路面病害以横裂、龟裂、不规则纵裂、坑槽、车辙、修补损坏、拥包为主;部分已罩面路段使用状况较好,部分路段变形较大,局部出现不规则裂缝、龟裂、坑槽,有少量的横向裂缝出现,横向裂缝较多贯穿路面宽度,少量贯穿整个路基宽度。水泥砼路面病害主要有断裂类和接缝损坏类;对路面结构性能和行车舒适性影响最大的是断裂和错台。混凝土面层板的断裂是由于荷载应力和温度应力的反复作用而引起的疲劳损坏,或者是由于路基不均匀沉降、板底脱空或收缩应变受阻等引起板内应力超过混凝土的强度而产生的。     

公路软基加固中粉喷桩施工技术的应用

工程概况 某高速公路施工标段全长约4.5Km,施工区段内存有软土路基约560m。该软土路基主要分布有湖海积和冲洪积沉积土层。其表层土体主要有黄褐、灰黄色的亚粘性土和粉土层,局部区域内分布有中粗砂、砾砂混粘土层;其上部土体主要分布有湖海积层的淤泥质软土和粘性土,其含水量相对较高,局部范围内中间夹有砂土层,该土层厚度相对较大,最大处厚达35m多;其下部土体主要有冲洪积相的亚粘土层和黏土层,小范围内还分布有砂砾、卵石夹土层,且砂砾、卵石夹土层呈带状断续分布的状态,土层厚度变化相对较大;其底部土体则主要分布有由于坡洪沉积形成的碎石土层。为避免该高速公路在施工及后期使用期间路基的不均匀沉降或沉降不稳定等问题,路面施工前对该软土路基进行了相应的软基加固处理施工。     

寒区隧道温度简谐波传热特征与影响因素的敏感性

为探究寒区隧道温度场的时空演化规律, 以波的视角从时间尺度和空间尺度建立了寒区隧道温度简谐波径向传热模型, 基于傅里叶传热定律推导了寒区隧道温度简谐波径向传热表达式; 依托兴安岭公路隧道温度测试结果, 验证了温度简谐波径向传热表达式的可行性, 分析了温度简谐波沿隧道径向深度的分布特征与随冻融周期的变化规律; 采用系统稳定分析法, 研究了温度简谐波对各影响因素归一化的敏感度因子。研究结果表明: 沿隧道径向深度0.00~4.00 m, 温度振幅呈负指数函数形式衰减, 变化范围为11.67℃~0.45℃; 温度相位移呈正比例函数形式增大, 变化范围为0.00~75.24 d; 年平均温度呈线性升高的趋势, 变化范围为-0.62℃~1.98℃; 受隧道区气温逐年变暖趋势的影响, 隧道进口端壁面年平均温度从2016~2019年升高了约0.75℃, 年平均温度随冻融周期逐年增大, 2.00 m深度内年平均温度受冻融周期影响较大, 超过2.00 m年平均温度受冻融周期影响相对较小; 隧道进口端壁面温度振辐从2016~2019年衰减了1.48℃, 温度振幅随冻融周期逐年衰减, 2.00 m深度内温度振幅衰减较快, 超过2.00 m温度振幅衰减较慢; 隧道进口端壁面日相位从2016~2019年延迟了7.20 d, 日相位随冻融周期逐年增大。温度简谐波对各影响因素的敏感性由高到低依次为壁面温度振幅、壁面年平均温度、围岩含冰率、围岩含水率、围岩孔隙率、骨架颗粒的质量热容量与导热系数。