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块石路基是多年冻土区广泛使用的路基结构。其利用块石层与外部气流的强迫对流换热起到降低路基温度、保护下部多年冻土的作用。在全球气候转暖,多年冻土退化加快的前提下,进一步研究多年冻土区块石路基长期降温效果将尤其重要。本文基于北麓河的气象、地温观测资料,以青藏铁路中使用最广泛的块石路基为研究对象,利用冻土物理学、传热学、大气物理学和多孔介质等基本理论,结合风洞试验与数值模拟方法较为系统的研究块石路基的传热机理与降温效果,以期为分析研究块石路基的热稳定性问题提供科学的理论依据。本文主要研究工作和结论如下:
(1)为了研究地表温度与气温的关系,利用辐射平衡理论对地面取不同的比辐射率反演得到了北麓河地表温度,确定了当地比辐射率的上界和下界分别为0.985和0.94。当地比辐射率每增加一个百分点,反演地表温度相差约0.7℃。
(2)通过求解传热微分方程,研究地表温度在土层中的传播规律。研究结果表明:土层中地表温度波随深度指数衰减;对于不同土层,其导温系数越大,衰减就越慢,太阳辐射的日影响深度就越大。
(3)利用地表向上长波辐射和向下长波辐射之间的线性关系,理论上获得了其常数项系数值和线性项的普适表达式,进而导出了地表温度和气温具有线性关系:地表温度越高,地表温度波幅也越大,地表温度波幅与气温波幅成正比,比例系数为平均地表温度和平均气温之比。
(4)块石层内部气流运动规律的非线性关系可用Forchheimer方程来描述。通过风洞试验测得了平均粒径为12.5cm、孔隙率为0.487的块石层的渗透率和惯性阻力系数分别为1.24×10-6m2和416.58m-1,可为工程实践和数值模拟提供相关参数。利用Forchheimer方程分析了不同试验条件下块石层内部气压和渗流速度的变化特点。项部封闭条件下,气流可以视为一维运动,块石层内部气压沿流向线性减小,截面渗流速度保持不变;顶部开放条件下,气流可视为二维运动,块石层内部纵向气压迅速减小且为非线性,沿纵向的流速也迅速减小,截面渗流速度不再保持不变,而是沿纵向逐渐减小。顶部开放条件下块石层内部气流速度较顶部封闭条件下要小得多,不利于对流换热。
(5)结合多孔介质渗流理论,利用风洞试验研究了混泥土球堆内部空气运动方程。对于球形粗颗粒多孔介质在有限的通道颗粒尺寸比的条件下,可以采用Ergun方程的形式对其渗流规律进行描述,但是Ergun方程的系数取值必须进行修正。本试验测得修正后的系数值为:α=228和β=0.80。对于非球形粗颗粒多孔介质在有限的通道颗粒尺寸比的条件下,添加Krumbein球度到Ergun方程,可以方便处理更加复杂形状的几何体。
(6)在数值模拟天然地表温度场时,初始温度值与获得稳定地温场的计算时间有关,初始温度应以年平均地面温度为宜;底部的热流边界对地温起着重要的作用,随着流入底部的热流增加,土体的温度也随之升高。
(7)以北麓河块石夹层路基为参照物,考虑未来50年升温1.5℃与2.6℃,利用数值模拟分析得出了块石夹层路基能保证50年路基的热稳定性能,但是不能阻止路基下部土体的升温。