热棒对多年冻土路基稳定性的影响.pdf

第 22 卷 第 5 期 2009 年 9 月 中 国 公 路 学 报 China Journal of Highway and Transport Vol 22 No 5 Sept 2009 文章编号 1001 27372 2009 05 20015 206 收稿日期 2008 212225 基金项目 国家自然科学基金项目 50678076 十一五0国家科技支撑计划重点项目 2006BAC07B02 作者简介 孙 文 19762 男 山西大同人 讲师 工学硕士 E2mail sunwen1223 163 com 热棒对多年冻土路基稳定性的影响 孙 文1 吴亚平1 郭春香1 张鲁新2 1 兰州交通大学 土木工程学院 甘肃 兰州 730070 2 青藏铁路公司 青海 西宁 810007 摘要 建立了多年冻土路基温度场的三维数值计算模型 并采用有限元方法对普通路基 热棒路基 在未来 50 年内气温上升 2 6 e 情况下的温度场进行了预报分析和比较 研究中考虑了路基阴阳坡 差异 并以现场实测地温数据为依据 计算结果表明 路基阴阳坡的热差异会导致路基下伏土层温 度场不对称 由此可引起路基横向的不均匀变形 在气温升高条件下 未来 50 年内普通路基将会产 生较大融沉变形 不能保证路基的长期稳定性 加热棒后的路基融化深度均小于普通填土路基的融 化深度 阴阳坡温度差异也有明显降低 说明热棒结构路基可以抵消气候变暖的影响 从而可以保 证路基的稳定性 关键词 道路工程 多年冻土 有限元方法 温度场 热棒 稳定性 中图分类号 U416 168 文献标志码 A Influences of Two2phase Closed Thermosyphon on Permafrost Roadbed Stability SUN Wen1 WU Ya2ping1 GUO Chun2xiang1 ZHANG Lu2xin2 1 School of Civil Engineering Lanzhou Jiaotong University Lanzhou 730070 Gansu China 2 Qinghai2Tibet Railway Company Xining 810007 Qinghai China Abstract A 32D numerical value calculation model of the permafrost roadbed thermal field was built and finite element method was adopted to predict and compare the thermal field of general roadbed and two2phase closed thermosyphon roadbed by rising 2 6 e in the coming 50 years Difference of the negative and positive slope of roadbed was considered in studying and the measured data of ground temperature with the scene was regarded as the foundation The calculated results show that the thermal difference of the negative and positive slope can cause asymmetry of soil layer temperature field under roadbed which will arouse uneven transverse deformation of roadbed Under the condition of rise of air temperature the general roadbed may come into being melt settlement deformation in the coming 50 years and canpt guarantee the long2 term stability of roadbed The thawing depth of two2phase closed thermosyphon of roadbed is smaller than that of general roadbed and the difference of negative and positive slope reduces obviously It explains that the two2phase closed thermosyphon structure roadbed can counteract the influence of climate being changed into warm and can guarantee the roadbed stability Key words road engineering permafrost finite element method thermal field two2phase closed thermosyphon stability 0引 言 地球上多年冻土分布面积广阔 全球多年冻土 面积约占陆地面积的 25 中国多年冻土面积约占 国土面积的 22 4 1 随着社会 经济的发展 多 年冻土地区公路工程建设越来越多 对于冻土路基 普遍存在的以冻胀和融沉为主的严重病害 229 目前 在对冻土的保护方面 采用热棒技术是其中一个措 施 热棒具有传热能力大 传热温差小 启动温度 低 单向传热以及安全等特性 10 在进入寒季时 当热棒蒸发段周围土体的温度高于外界大气温度 时 热棒蒸发段所充填工质吸热汽化并向上流动 经 绝热段后遇到比其温度低的冷凝段凝结放热 热量 经冷凝段壁面和外部翅片传出并由低温的外部空气 对流换热带走 与此同时 在冷凝段冷凝的工质蒸汽 变为液态 由于重力作用 液态工质沿壁面流回蒸发 段 并再次吸热汽化 这样不断地循环就能将蒸发段 附近土体的热量带出排入大气 从而为附近土体降 温 另外 由于热棒传热的单向性 进入暖季时 外 部大气温度比蒸发段附近土体的温度高 热棒停止 传递热量 从而能够有效保证在暖季的热量不被传 入蒸发段附近土体 那么在一个寒暖周期中 蒸发段 附近土体温度可以得到有效的降低 起到保护多年 冻土稳定性的作用 在热棒路基的数值计算方面 部分学者进行了 相关研究 刘奉喜等 11 就热棒间距因素对冻土路基 的作用效果进行了分析 盛煜等 12 对冻土区热棒路 基温度场进行了非线性分析 马巍等 13 对积极保护 冻土路基的几种措施进行了分析比较 孙增奎等 14 结合青藏铁路某段实际监测数据 对地温场进行了 有限元数值模拟 上述研究的特点是对边界条件 初始条件进行假设 没有考虑实际地温场的变化及 路基阴阳坡差异 因此造成计算结果可能和实际结 果有差异 本文中针对上述情况 考虑路基阴阳坡 差异 以现场实测地温场数据为依据 考虑受全球气 候变暖的影响 青藏高原多年冻土区气温升高的情 况下 对普通路基和热棒路基的温度场变化进行了 分析比较 进而对多年冻土区热棒对路基稳定性的 影响进行分析 1计算模型参数及边界条件 本文中以年平均气温为 5 6 e 的唐古拉山北 麓冻土区的某路基结构为计算模型 计算中路堤高 度取为 4 0 m 路基顶宽为 7 6 m 边坡坡度取为 1B1 5 计算模型 图 1 中左右路肩和坡脚处各放 置 1支热棒 路基走向方向上热棒间距取为 2 8 m 计算区域中土体的密度和导热系数采用唐古拉山区 钻孔取样实测值 土体比热容按照各物质成分加权 平均计算 计算区域内土体参数见表 1 计算地段 的初始温度场采用实测温度场 这样使得计算边界 条件更接近于现场实际情况 热棒采用氨为工质且 垂直放置 热棒长 7 m 蒸发段长 4 m 冷凝段有效 散热面积 3 m2 热棒的启动温差为 0 8 e 空气与 冷凝段的对流换热系数 A为 15 表 1填土路基的土层热物理参数 Tab 1Thermo 2physical Parameters of Soil Layers of Filling Roadbed 土层深度 m岩性含水量 密度 g cm 3 干密度 g cm 3 热容量 kJ m3 e 1 导热系数 W m e 1 融土冻土融土冻土 地面以上路基填土 砂砾土6 02 302 172 183 01 693 71 912 61 0 1 4细砂15 02 402 092 785 21 994 82 183 05 1 4 1 9粘土20 01 951 632 676 52 208 11 241 38 1 9 2 4粘土126 51 470 651 030 0890 01 131 58 2 4 5 4粘土45 01 911 322 990 12 203 90 971 67 5 4砂岩及风化岩15 02 181 902 284 62 284 62 702 70 A 0 TA T 0 8 e 30 W m 2 e 1 TA T 0 8 e 1 热棒的传热量为 Q A F T t 2 式中 Q 为热棒的传热量 T t 为热棒周围路基土 温度与环境内部的温差 其中 t 为时间 T 为热棒周 围路基土温度 TA为环境温度 F 为有效散热面积 计算中将 Q 以线性热流的形式加载于蒸发段 忽略蒸汽流动热阻和热管蒸发段与土体的接触 热阻 根据实测结果 同一路基断面边界条件分别为 天然地表温度 TA 0 058 9 91sin 2P 8 760 P 2 左坡脚温度 16中 国 公 路 学 报 2009 年 图 1热棒结构路基 单位 m Fig 1Roadbed with Two 2phase Closed Thermosyphon Unit m TA 2 12 9 41sin 2P 8 760 P 2 左侧路肩 阳坡 温度 TA 0 76 7 6sin 2P 8 760 P 2 路基中心温度 TA 0 46 9 91sin 2P 8 760 P 2 右侧路肩 阴坡 温度 TA 0 46 7 6sin 2P 8 760 P 2 右坡脚温度 TA 1 82 9 41sin 2P 8 760 P 2 2控制微分方程及有限元方程 由于土体初始含水量不高 考虑到土骨架和介 质水的热传导和冰水相变作用 且认为未冻水含量 是温度的函数 因此对于冻土的冻结和融化过程均 忽略土壤水分的流动和渗透作用 土体中的温度 T x y z t 应满足热传导微分方程 Q c 5T 5t 5 5x K 5T 5x 5 5y K 5T 5y 5 5z K 5T 5z 4 Kf 5Tf 5n Ku 5Tu 5n LQ w0 5N 5t 5 5T 5n A TA T 6 式中 下标 f 和 u 分别表示冻结和融化状态 Q为土 体密度 c 为土体比热容 K为导热系数 L 为水的相 变潜热 w0为初始含水量 N为冻融界面 n 为冻融 界面上的方向 x y z 为坐标 侧面固定边界上的边界条件 绝热边界条件 为 5T 5n 0 底面固定边界上的边界条件 温度梯度 为 5T 5n 0 018 e m 1 考虑未来 50 年气温升高 2 6 e 顶面固定边 界上的边界条件为 T t 432 000 T A 由于冻土的比热和导热系数随温度的变化而变 化 加上两相界面的位置也是不固定的 因此该问题 在数学上是强非线性问题 无法获得解析解 本文中 采用数值解法 以形函数为权函数 求得该问题的有 限元方程为 KT Kc 5T 5t F 其中 Kij EQ 8eK 5Ni 5x 5Nj 5x 5Ni 5y 5Nj 5y 5Ni 5z 5Nj 5z d8 EQ e 2 A NiNjd Kcij EQ 8e Q cNiNjd8 Fi EQ e 2 A TANid 式中 K Kc F 均为系数刚度矩阵 Kij Kcij Fi分别 为系数刚度矩阵的元素 8 e 为单位积分区域 e 2为 单元与大气接触的边界弧长 Ni Nj为形函数 3数值计算结果与分析 3 1路基温度场的基本形态 为了研究热棒对冻土路基稳定性的影响 对普 通路基 热棒路基的温度场分别进行了分析 由青 藏高原实测资料可知 10 月份是上述路基达到最大 融化深度的时间 因此选用 10 月 15 日的温度场进 行分析比较 由图 2 a 可以看出 路基修筑第 3 年 后的 10 月 15日 天然地面下多年冻土上限深度约 为 2 135 m 路基中最大融化曲线峰值比地面天然 上限抬高了 2 6 m 由图 2 b 可以看出 加热棒后 的路基施工完成 3 年后的 10 月 15 日 温度分布和 普通填土路基的温度场相比 同一深度 热棒路基的 温度略低于普通路基的温度 该地区近地面大气温 度和路基下多年冻土的温差已经大于热棒的工作启 动温差 此时路基中的热棒已经开始工作 开始将大 气中冷能输送到路基下伏的多年冻土中 图 3 为普 通填土路基和热棒路基修筑第 15 年后 10 月 15 日 的路基温度分布 图 4为普通填土路基和热棒路基 修筑第 50 年后的 10 月 15 日的路基温度分布 和 普通填土路基相比 由于热棒的冻结作用 路基下伏 多年冻土的温度总体上比同期普通填土路基的温度 明显要低 在路基修筑后的第 50 年 路基下多年冻 土最大融化曲线略高于天然地面原多年冻土上限 由于气候变暖天然地面下多年冻土发生了严重的退 化 而热棒路基下仍存在着 1 3 e 的冻结核 在 50 17第 5 期 孙 文 等 热棒对多年冻土路基稳定性的影响 年气候升高 2 6 e 条件下 热棒结构路基下伏冻土可 以回冻完全 回冻温度较低达 1 6 e 3 2人为上限的变化 计算结果表明 考虑未来50年气温升高 2 6 e 的条件下 由于青藏高原冻土在上限附近普遍为高 含冰量冻土 此部分冻土融化后产生的融沉量将超 过路基的设计沉降量 路基部分将发生很大的变 形 对路基造成很大的破坏 由图 5 可以看出 普通 填土路基在施工完成后 50 年内路基断面上各部位 的融化深度逐渐降低 人为上限逐渐升高 而在同 一时期 加热棒后的填土路基的融化深度均小于普 通填土路基的融化深度 这说明热棒结构路基可以 抵消气候变暖的影响 可以保证路基下伏冻土不发 生融化 同时保证路基的稳定性 3 3路基阴阳坡的差异 由于受路基边坡吸热和边坡填土较薄的影响 普通路基中融化深度曲线形态特点呈上凸形状 阳 坡曲线较陡 阴坡曲线较缓 以路基上道床中心为参 照点 曲线峰值点略向右肩 阴坡 偏移 造成路基左 肩 阳坡 融化深度比右肩 阴坡 融化深度要大 路 18中 国 公 路 学 报 2009 年 基修筑后第 3 年的 10 月 15 日 左路肩 阳坡 融化 深度比右路肩融化深度大 0 42 m 左坡脚融化深度 比右坡脚融化深度大 0 54 m 在路基施工后的 10 年内 路基左肩 阳坡 融化深度比右肩 阴坡 融化 深度要明显大 在路基施工后的 10 30 年内 路基 左肩 阳坡 的融化深度仍比右肩 阴坡 融化深度要 大 但幅度有所降低 由图 2 b 3 b 可以看出 热 棒路基由于热棒的制冷作用 左右两边的不对称性 仍然存在 但不太明显 以路基修筑后第 50 年的 10 月 15 日为例 左路肩 阳坡 融化深度比右路肩融化 深度大 0 12 m 左坡脚融化深度比右坡脚融化深度 大0 16 m 4结语 1 在年平均气温为 5 6 e 的唐古拉山北麓 多年冻土区路基 50 年的使用期内 普通填土路基在 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 不能保证路基的稳定性 热棒 路基具有主动冷却的作用 可以更好地保护冻土 2 路基计算结果表明 在未来 50 年气温上升 2 6 e 的条件下 在年平均气温为 5 6 e 的唐古 拉山北麓冻土地区 普通填土路基在施工完成后50 年内路基断面上各部位的融化深度逐渐降低 人为 上限逐渐升高 而在同一时期 加热棒后的填土路 基的融化深度均小于普通填土路基的融化深度 这 说明热棒结构路基可以抵消气候变暖的影响 从而 可以保证路基的稳定性 3 考虑阴阳坡的差异 由于受路基边坡吸热和 边坡填土较薄的影响 以路基上道床中心为参照点 最大融化深度曲线峰值点略向右肩 阴坡 偏移 造成 路基左肩 阳坡 融化深度比右肩 阴坡 融化深度要 大 由此可引起路基横向的不均匀变形 而且在同一时 期 普通路基的