路基通风调控技术试验研究

1、路基通风调控技术试验研究路基通风调控技术试验研究俞祁浩俞祁浩 牛富俊牛富俊2003-11，兰州进行的调控技术项目之一进行的调控技术项目之一n通风路基试验研究n温控通风路基试验研究通风路基试验研究思路思路设计原则主动保护多年冻土地温主动调控技术调控对流模型试验模型试验现场试验现场试验数值模拟数值模拟 效果评价效果评价通风路基介绍n通风路基温度变化、分布及热流状况n通风路基降温效果分析通风路基运营状况通风完好率100%；少量PVC管管口施工破坏。路基最大变形量：4cm(?)通风路基试验研究场地布设()DBZBP30ZBP40ZBH30ZBH40XBP30XBP40XBH30XBH40监测断面30P

2、VC管段40PVC管段30混凝土管段40混凝土管段-0.8-1.0-1.2-1.4-1.6通年风相对位置平均地温管205250505050505050试验段长度(m)DBZBP30ZBP40ZBH30ZBH40XBP30XBP40XBH30XBH40监测断面 通风路基试验段多年冻土年平均地温及试验路基分段 通风路基试验研究地温变化试验段对比断面(DB)天然孔和路基中心孔等温线分布图（1）天然孔； （2）路基中心孔时间深度(m)无数据53101-9-702-1-502-5-402-9-202-12-3103-4-3003-8-28-1-1-2-2-3-4-5-3-4-500-0.1-0.1001

3、-1234-2-3-4-5-6-1时间深度(m)53101-9-702-1-502-5-402-9-202-12-3103-4-3003-8-28-1-1-2-2-3-4-5-3-4-501-9-25 路堤填土无数据00-0.1-0.100-0.5-0.5-2(1)(2)-0.75通风路基试验研究地温变化路堤中部混凝土通风管路基(ZBH30、ZBH40)天然孔和路基中心孔等温线分布图（1）ZBH40天然孔；（2）ZBH30路基中心孔；（）ZBH40路基中心孔A: 01-9-25 通 风 管 下 填 土 施 工B: 01-12-20 通 风 管 铺 设C: 02-4-8 通 风 管 上 填 土

4、完 成时 间深 度 (m)531-10 1 -9 -70 2 -1 -50 2 -5 -40 2 -9 -20 2 -1 2 -3 10 3 -4 -3 00 3 -8 -2 8-1-1-2-2-3-4-5-3-4-5012340-1A00-0 .1BC0-0 .1-0 .1-0 .1A: 01-9-25 通 风 管 下 填 土 施 工B: 01-12-20 通 风 管 铺 设C: 02-4-8 通 风 管 上 填 土 完 成时 间深 度 (m)531-10 1 -9 -70 2 -1 -50 2 -5 -40 2 -9 -20 2 -1 2 -3 10 3 -4 -3 00 3 -8 -2

5、8-1-1-2-2-3-4-5-3-4-512340-1A00-0 .1BC时 间深 度 (m)531-10 1 -9 -70 2 -1 -50 2 -5 -40 2 -9 -20 2 -1 2 -3 10 3 -4 -3 00 3 -8 -2 8-1-1-2-2-3-4-5-3-4-5012340-1000-1-2-3-4-5-2-3-4-5-61234120-1-0 .1-6(1 )(2 )(3 )通风路基试验研究地温变化路堤下部混凝土通风管路基(XBH30、XBH40)天然孔和路基中心孔等温线分布图（1）XBH40天然孔；（2）XBH30路基中心孔；（）XBH40路基中心孔时 间深 度

6、( m )531-10 1 -9 -70 2 -1 -50 2 -5 -40 2 -9 -20 2 -1 2 -3 10 3 -4 -3 00 3 -8 -2 8-1-1-2-2-3-4-5-3-4-5012340-1000-1-2-3-4-5-2-3-4-5-61234120-1-0 .1-0 .1-1-6时 间A : 0 1 - 9 - 2 5 通 风 管 下 填 土 施 工B : 0 1 - 1 2 - 1 9 通 风 管 铺 设C : 0 2 - 1 - 1 0 通 风 管 上 填 土 完 成深 度 ( m )531-10 1 -9 -70 2 -1 -50 2 -5 -40 2 -9

7、 -20 2 -1 2 -3 10 3 -4 -3 00 3 -8 -2 8-1-1-2-2-3-4-5-3-4-5012340-1-2-1ABC00-1-0 .1-0 .5-0 .5-0 .5-1时 间A : 0 1 - 9 - 2 5 通 风 管 下 填 土 施 工B : 0 1 - 1 2 - 1 9 通 风 管 铺 设C : 0 2 - 1 - 1 0 通 风 管 上 填 土 完 成深 度 ( m )531-10 1 -9 -70 2 -1 -50 2 -5 -40 2 -9 -20 2 -1 2 -3 10 3 -4 -3 00 3 -8 -2 8-1-1-2-2-3-4-5-3-4

8、-50123400-1-1-2-3-1ABC00-0 .1-0 .1-0 .1-0 .5-0 .5-0 .5-0 .5-0 .5(2 )(1 )(3 )天然左坡脚路堤左肩中心路堤右肩右坡脚DB: 无特殊措施对比断面2002-2003-0.66-0.58-0.35-0.49-0.42-0.962001-2002-0.74-0.372002-2003-0.77-0.37-0.28-0.372001-2002-0.61-0.462002-2003-0.53-0.30-0.39-0.522001-2002-1.38-0.452002-2003-1.27-0.45-0.39-0.572001-2002-

9、1.59-0.802002-2003-1.42-0.73-0.67-0.672001-2002-1.48-0.532002-2003-1.50-0.93-0.69-1.05-1.23-1.432001-2002-1.38-0.602002-2003-1.35-0.79-0.58-0.86-1.12-1.392001-2002-1.43-0.612002-2003-1.45-0.79-0.69-0.84-0.98-1.242001-2002-1.47-0.772002-2003-1.43-1.02-0.84-0.83-1.05-1.09试验监测断面冻融时间段监测孔位置ZBP30:30通风管路堤中

10、部ZBP40:40通风管路堤中部ZBH30:30通风管路堤中部ZBH40:40通风管路堤中部XBH30:30通风管地面上0.7mXBH40:40通风管地面上0.7mXBP30:30通风管地面上0.7mXBP40:40通风管地面上0.7m通风路基试验研究地温变化-10-50-10-50DB/2002-10-29-10-505-10-505ZBH40/2002-10-29051015202530354045距离(m)-10-505-10-505-1.5-1.5XBH40/2002-10-29-1.5-1.5(1)(2)(3)高度深度(m)高度深度(m)高度深度(m)通风路基试验研究地温场分布DB、

11、ZBH40、及XBH40断面地温场分布 (1) DB 断面；（2）ZBH40断面；（）XBH40断面通风路基试验研究地温分布-10-8-6-4-20246-2-10123地温高度/深度(m)-10-8-6-4-20246-4-3-2-1012地温高度/深度(m)-10-8-6-4-20246-5-4-3-2-101地温高度/深度(m)DB、ZBH40、及XBH40断面地温深度曲线 (1) DB 断面；（2）ZBH40断面；（）XBH40断面（1）（2）（3）通风路基试验研究热流变化zttztqiceicez5 . 20 . 3根据热传导原理，垂直一维方向上进入2.53.0m深度范围的热流通量可

12、以近似描述为：式 为热流通量（W/m2）； 为冰的导热系数(W/(m)，其值为2.22； 为温度,下标表示深度； =0.5m。 zqicetzd00 . 20 . 40 . 60 . 8热流(W/m2)c00 . 20 . 40 . 60 . 8热流(W/m2)e00 . 20 . 40 . 60 . 8热流(W/m2)b- 2024热流(W/m2)f- 4- 20202-8-2902-9-2902-10-2902-11-2902-12-2903-1-2903-2-2803-3-2903-4-2903-5-2903-6-2903-7-2903-8-29时间热流(W/m2)a- 3- 2- 10

13、12热流(W/m2)a- 6- 4- 2024热流(W/m2)c0 . 00 . 20 . 40 . 60 . 81 . 01 . 21 . 4热流（W/m2）b0 . 00 . 20 . 40 . 60 . 81 . 01 . 2热流（W/m2）d- 4- 3- 2- 1012热流（W/m2）e- 2- 10123热流（W/m2）f- 0 . 4- 0 . 20 . 00 . 20 . 40 . 60 . 81 . 001-8-2901-10-2901-12-2902-2-2802-4-2902-6-2902-8-2902-10-2902-12-2903-2-2803-4-2903-6-29

14、03-8-29时间热流（W/m2）通风路基试验研究热流通量（2.5-3.0）DB断面 ZBH、XBH断面a 天然孔；b 左坡脚孔；c 左路肩孔； a ZBH40天然孔；b ZBH30中心孔；d 路基中心孔；e 右路肩孔；f 右坡脚孔 c ZBH40中心孔； d XBH40天然孔； e XBH30中心孔；f XBH40中心孔；通风路基试验研究热流（2.5-3.0）天然左坡脚路基左肩中心路基右肩右坡脚吸热17104230961821615923823017686放热-8922-7261000-19183吸热2511527994放热-208220吸热21452185301693814478放热-19

15、592000吸热2206432924放热-224710吸热26187163161972615888放热-20459000吸热1995344919放热-202110吸热1883620537103299834852321240放热-18743-10219-322-6282-6355-22519吸热2383918426放热-209970吸热2179620087134444404781315555放热-18342-64880-2390-3823-126702002-2003ZBH40:40通风管路基中部2001-20022002-2003DB: 无特殊措施对比断面2002-2003XBH30:30通风

16、管地面上0.7m2001-20022002-2003XBH40:40通风管地面上0.7m2001-20022002-2003热量变化监测孔位置试验监测断面冻融时间段ZBH30:30通风管路基中部2001-2002（1）路基的施工对于其下多年冻土将产生极大的影响，单纯的高填土路基虽然初期可以减小多年冻土季节融化深度，同时又升高了多年冻土的整体温度，路基中2年内存在较大深度范围的零温带。（2）通风管埋设于路堤中部的路基温度变化和发展情况与一般路基类似，路基在施工后的两个冻融周期内仍处于整体升温的过程，但40通风管路基整体温度低于一般路基和30通风管路基，且近0带的时空分布十分有限。（3） 通风管埋

17、设于路堤下部的路基温度虽然同样有所升高，但路基内基本上没有零温带的分布，同时土体温度有逐渐降低的趋势。通风路基试验研究初步结论4）不同结构路基的横断面地温场形态存在极大的不同，一般填土路基和通风管位于路堤中部的路基，整体温度都比较高，地温场的分布在横向左右对称性差；通风管位于路堤下部的路基，整体温度相对较低，地温场的分布在横向上的对称性也比较好。（5）一般路基无论两肩还是路基中心，在施工完成后的第二个周期，原地面下2.53.0m深度范围一直经历着吸热过程，且在路基左肩（阳坡一侧）热流通量显著高于中心和路基右侧（阴坡一侧），但整个路基土体相应范围的热流通量都呈下降的趋势。（6）由于路堤填土的热影

18、响，路基工程施工后要经历一段时间的非平衡调节过程。一般填土路基和通风管位于路堤中部的路基在施工后的前两个冻融循环周期内一直处于吸热过程，而通风管位于路堤下部的路基在经历了第一个周期的持续吸热过程后，在第二个冻融循环周期内开始出现放热，说明通风管设置在路堤下部比中部的工程效果良好。通风路基试验研究初步结论温控通风路基介绍试验工作汇报试验工作汇报温控通风路基n场地布设n观测资料分析问题提出n现有通风路基具有冬季良好的降温效果，但在夏季对于路基的升温具有很大的促进作用。 夏季通风管关闭成为研究内容之一风门的设计通风管自动控制单元风门n复合温度感应、控制等单元完成 外界温度改变条件下完成 风门的自动开

19、启、自动闭合自动开启、自动闭合观测系统布设1# 30cm剖面单侧剖面单侧10个连续风门个连续风门长度长度8.3m2# 40cm剖面单侧剖面单侧9个连续风门个连续风门长度长度10m温度探头中心孔边缘孔远处孔中心孔边缘孔远处孔天然孔天然孔工作状态n今年4月初完成安装至目前工作正常。n工作状态基本为晚间自动打开，白天自动关闭。评价方法标准n通风管内部中心与边缘温度场对比重点中心孔边缘孔远处孔天然孔n路基中心孔温度对比30cm管径中心温度零点下移速度明显减慢。最大差距约30cm30cm管径中心同深度处地温升温明显减缓。温度最大相差约0.5度1#剖面30cm中心钻孔温度-8-7-6-5-4-3-2-1.

20、6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.06-297-299-910-1930cm中心与远处钻孔温度定量对比未加风门30cm管径钻孔温度-8-7-6-5-4-3-2-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.06-297-299-910-19同深度处地温升温明显减缓。温度最大相差约0.5度地温的负积温明显增加温度零点下移速度明显减慢。最大差距约40cm，最终约20cm。-0.4540cm中心与远处钻孔温度对比40cm管径同日有无措施天然温度对比（629）-9-8-7-6-5-4-3-2-10(2)0246810有措施没措施天然孔40cm管径同日有无

21、措施天然温度对比（819）-9-8-7-6-5-4-3-2-10(2)024681012有措施没措施天然孔温度零点下移速度减缓更为明显。40cm中心与远处钻孔温度对比40cm管径同日有无措施天然温度对比（919）-9-8-7-6-5-4-3-2-10(2)02468有措施没措施天然孔40cm管径同日有无措施温度对比（10-29）-9-8-7-6-5-4-3-2-102.01.51.00.50.00.51.0有措施没措施同深度处地温相差同样也更为明显40cm中心与远处钻孔温度对比未加风门40cm管径钻孔温度-8-7-6-5-4-3-2-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0

22、6-297-198-98-198-299-99-199-2910-910-1910-292#中心钻孔温度-8-7-6-5-4-3-2-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.06-297-107-198-98-299-99-199-2910-910-1910-29温度零点下移速度明显减慢。最大差距约90cm，最终约70cm-5m处温度相差最终约0.3度。负积温相对更为明显由此说明加装风门对于通风路基具有降温的积极作用，尤其对于大孔径的通风管30cm内部温度中心与边缘对比通风管内部温度对比顶头温度辐射影响明显1日平均中心通风管内部温度（29/75/8）0246810121412

23、345678右口中靠右中心中靠左左口1日平均边缘通风管内部温度（29/74/8）024681012141234567右口中靠右中心中靠左左口7月30cm内部温度1日平均边缘通风管内部温度（29/74/8）456781234567中靠右中心中靠左1日平均中心通风管内部温度（29/75/8）234567812345678中靠右中心中靠左1日平均中心通风管内部温度（7/930/9）01234561357911131517192123中靠右中心中靠左1日平均边缘通风管内部温度（7/930/9）012345671357911131517192123中靠右中心中靠左10月30cm内部温度1日平均中心通风管

24、内部温度（1/1031/10）(3)(2)(1)01234135791113151719212325272931中靠右中心中靠左1日平均边缘通风管内部温度（1/1031/10）-3-2-10123456135791113151719212325272931中靠右中心中靠左30cm管内中心温度对比温度差值随外界温度的增加而加大如何解释钻孔温度反映不明显？1 通 风 管 内 部 中 心 温 度 对 比5 5 . . 6 6 7 74 4 . . 1 1 2 20 0 . . 9 9 3 34 4 . . 3 3 3 33 3 . . 1 1 7 70 0 . . 1 1 9 901234562 9

25、 / 7 - 5 / 87 / 9 - 3 0 / 91 / 1 0 - 3 1 / 1 0边 中 心中 心40cm管内中心温度对比2#边 缘 剖 面 通 风 管 内 部 温 度 随 时 间 变 化 情 况 (7/8-31/8)- 5051 01 52 02 50000000000000右 口中 靠 右中 心中 心 左左 口日 平 均 2#边 缘 剖 面 通 风 管 内 部 温 度 随 时 间 变 化 情 况(7/8-31/8)024681 01 21 40000000000000右 口中 靠 右中 心中 心 左左 口数据资料存在问题：1）削波作用明显 观测数据有问题2）探头编号有问题 无法进

26、行中心与边缘温度对比40cm管内中心温度对比2 # 中 心 剖 面 通 风 管 内 部 温 度 随 时 间 变 化 情 况 ( 7 / 8 - 3 1 / 8 )- 5051 01 52 02 53 03 54 00000000000000000000000000右 口中 靠 右中 心中 靠 左左 口日 平 均 2 # 中 心 剖 面 通 风 管 内 部 温 度 随 时 间 变 化 情 况 ( 8 / 8 - 3 1 / 8 )024681 01 21 41 6000000000000000000000000右 口中 靠 右中 心中 靠 左左 口2中心通风管内部温度正常中心通风管内部温度正常3

27、0cm与40cm管径钻孔温度对比n钻孔温度对比n通风管内部温度对比30cm与40cm管径效果对比1#剖面30cm中心钻孔温度-8-7-6-5-4-3-2-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.06-297-107-197-299-99-199-2910-910-1910-292#中心钻孔温度-8-7-6-5-4-3-2-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.06-297-107-198-98-299-99-199-2910-910-1910-29温度零度点向下移动速度基本相同在-6m到-7m范围温度30cm管径较40cm管径升温慢、温度低30cm

28、与40cm管径内部温度对比日 平 均 2 # 中 心 剖 面 通 风 管 内 部 温 度 随 时 间 变 化 情 况 ( 1 / 9 - 3 0 / 9 )024681 01 21 41 600001 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 6888888右 口中 靠 右中 心中 靠 左左 口1 日平均边缘通风管内部温度（7 /9 3 0 /9 ）012345671357911131517192123中靠右中心中靠左1#温控通风管内部温度整体小于2温控通风管内部温度30cm与40cm管径内部温度对比日 平 均 2 # 中 心 剖 面 通 风 管 内 部 温

29、 度 随 时 间 变 化 情 况 ( 1 / 1 0 - 3 1 / 1 0 )- 4- 2024681 01 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 81 8中 靠 右中 心中 靠 左1 日 平 均 中 心 通 风 管 内 部 温 度 （ 1 / 1 0 3 1 / 1 0 ）( 3 )( 2 )( 1 )01234135791113151719212325272931中 靠 右中 心中 靠 左1#温控通风管内部温度整体降温效果要好于2温控通风管内部温度30cm与40cm温控通风路基效果对比n30cm

30、温控通风路基效果要略好于40cm的温控通风路基原因分析n通风量的控制 由此从另一个侧面反映了控制夏季气流的重要性n自然对流对内部温度的影响n管间距的不同降温过程的促进作用30cm管径地温日变化情况（10-11）-2-1012345-7-6-5-4-3-2-10系列1系列2系列3系列4系列5系列6系列7系列8系列9系列10系列11系列12系列1330cm未加措施温度日变化(10-11)(2)(1)012345-7-6-5-4-3-2-10系列1系列2系列3系列4系列5系列6系列7系列8系列9系列10系列11系列12由于负积温机理的存在对降温过程起到积极促进作用降温过程的促进作用30cm管径地温日变化情况（10-19）-1.5-1-0.500.511.522.5-7-6-5-4-3-2-10系列1系列2系列3系列4系列5系列6系列7系列8系列9系列10系列11系列12系列1330cm未