抛石路基冷却机制及上覆砂砾石层厚度对冷却效果的影响探讨.ppt

1、抛石路基冷却机制及上覆砂砾石层厚度对冷却效果的影响探讨,报告人：王爱国 二OO三年11月,一、抛石路基冷却机制探讨,青藏高原为例，取=0.641kg/m3，=1.75e-5kg/m/s，=0.4。Goering & Kumar 对于3cm碎石组成的路堤通过模拟计算给出Vmax410-3m/s，颗粒尺寸越大，速度值也相应增大。则取d=3cm时，Re1=110。该值远大于达西渗流理论适用的范围，而实际采用的抛石路堤，颗粒粒径一般大于3cm，其雷诺数更大，因此，抛石路堤中的空气流动决不能以达西流看待。,一、抛石路基冷却机制探讨,空气的雷诺数分析,渗流力学理论给出：当Re5时，达西定律就不再适用渗流流

2、体。,流体的渗流雷诺数：,另外，对于空气最大流速的估计，在假定空气为达西流的条件下，,按青藏高原一般情形，估算得出的V值量级为10-2m/s，由此得出的Re值更是远大于5。因此，达西流的假设是不成立的。,抛石中空气运动机制分析,一、抛石路基冷却机制探讨,对于边长为L的方块多孔介质，其内空气的状况决定于空气的瑞利数Ra，其定义为,其中T为上下表面温度差。当Ra小于某临界值Rac1时，空气是静止不动的，当RaRac1时，空气开始发生对流，其对流的分叉数决定于不同的临界值Racn。张涵信（1994）通过计算得到Rac的解析解，其中Rac1=39.48，即当Ra39.48时，孔隙内空气就能产生自然对流

3、。,抛石中空气运动机制分析,空气的瑞利数分析,一、抛石路基冷却机制探讨,对于青藏高原抛石路堤孔隙中的空气，以一般情况下单个孔隙来研究时，,使空气发生对流的最低温度差为 当L=1cm时，1cm=0.933 ，即要求抛石层中温差大于93.3 /m 当L=2cm时，2cm =0.117 ，即要求抛石层中温差大于5.85 /m 当L=3cm时，3cm =0.035 ，即要求抛石层中温差大于1.155 /m 当L=4cm时，4cm =0.015 ，即要求抛石层中温差大于0.375 /m 当L=5cm时，5cm =0.0075 ，即要求抛石层中温差大于0.15/m,抛石中空气运动机制分析,空气的瑞利数分析

4、,可以看出，在无外力驱动情况下，L2cm时，自然状态发生空气的对流几乎是不可能的，因此，抛石路堤的设计必须考虑抛石的最小粒径。 对于青藏高原日气温变化在十几甚至几十度的情况下，青藏铁路所采用的抛石中孔隙空气基本都能产生自然对流,一、抛石路基冷却机制探讨,抛石中空气运动机制分析,抛石路堤中空气流动是非稳态的非等温渗流。 这里简化为自然对流。,一、抛石路基冷却机制探讨,抛石层控制方程,为了简化分析，抛石层传热一般作如下假设：设空气和相邻固体骨架之间能瞬间达到局部热平衡，同时对空气作所谓的波兴涅斯克（Boussinesq）近似，即把流体看成是不可压缩的。因此，抛石路堤的控制方程将表述如下：,3、能量

5、方程,1、连续性方程,2、动量方程,一、抛石路基冷却机制探讨,抛石的边坡效应,抛石路基边坡部分直接暴露于空气，其表面气温变化幅值相对其它部位较大，现在不论对抛石中空气的传热机制如何认识，在计算中都采取均匀化的假设，即整个抛石区的各种热介质参数不变，这样，就会在抛石区产生侧面加热效应，使整个抛石区产生沿抛石边界面的大循环。后面的实际模拟也将看到，这种大循环对制冷有很好的作用，但对加热也产生很强的热循环，反而加大了抛石路基下的冻融幅度。,一、抛石路基冷却机制探讨,抛石的性质,抛石的大孔隙性质 使空气产生的水平向速度很快就会由于抛石的阻挡而转化为垂直向的速度，而垂直向只要有热差异，它会始终向上传递。

6、因此在数值计算中，必须考虑这种效应的影响。,一、抛石路基冷却机制探讨,实体模型,一、抛石路基冷却机制探讨,有限元模型的简化,由于是理论计算，对计算模型作一定的简化，即不考虑年平均气温的上升、路基采用对称结构、抛石路基边坡封闭。 模型计算范围为地表向下30m，路基中心向两侧41m。假设路基对41m以外的天然状态无侧面扰动，并假设地下30m深处处于热平衡，即无热量的流入流出。,一、抛石路基冷却机制探讨,介质参数及边界条件,为便于模拟与实际的接近，介质参数及边界条件参照前人模拟所采用参数及条件，稍作变化。,1、介质传导系数及容积热容量的确定,应用显热容法，假设相变发生在温度区间（TmT），当建立等效

7、比热时，应考虑温度间隔T的效应，假设介质在正冻、未冻时的容积热容量分别为和，热传导系数分别为和，而且它们都不取决于温度，则和的表达式如下：,一、抛石路基冷却机制探讨,介质参数及边界条件,抛石路基结构（图1）中，介质由下到上共分5层，依次为弱风化岩、亚粘土、直径约10cm抛石层、砂砾石层和道渣，由于是理论计算，各层热力学参数采用前人所用参数。,为便于模拟与实际的接近，介质参数及边界条件参照前人模拟所采用参数及条件，稍作变化。,1、介质传导系数及容积热容量的确定,一、抛石路基冷却机制探讨,介质参数及边界条件,为便于模拟与实际的接近，介质参数及边界条件参照前人模拟所采用参数及条件，稍作变化。,2、空

8、气性质的确定,一、抛石路基冷却机制探讨,介质参数及边界条件,为便于模拟与实际的接近，介质参数及边界条件参照前人模拟所采用参数及条件，稍作变化。,3、边界条件的确定,模拟以海拔4500m处的路基结构为计算模型，计算域如图1所示，假设路基于8月1日完成。对于天然地表年平均气温为-4情况下，根据附面层理论，施加如下温度边界：,天然地表 斜坡及路肩 路基表面,一、抛石路基冷却机制探讨,介质参数及边界条件,为便于模拟与实际的接近，介质参数及边界条件参照前人模拟所采用参数及条件，稍作变化。,4、初始条件的确定,地基初始温度确定时，对无路基模型在地表施加T1温度进行n年计算，直到地温场逐年几乎无变化，此时的

9、最终地温场作初始模拟地温场。对路基整体加初始温度8。,永久冻土上限-3.7m。,计算初始地温,一、抛石路基冷却机制探讨,路基运营后第02年各种模拟情况下路基温度场,模拟结果:,一、抛石路基冷却机制探讨,路基运营后第05年各种模拟情况下路基温度场,模拟结果:,一、抛石路基冷却机制探讨,路基运营后第10年各种模拟情况下路基温度场,模拟结果:,一、抛石路基冷却机制探讨,效果对比1,普通路基的修建对地基产生很大的热效应，导致路基下地温的升高，永久冻土上限位置下降。 不计空气影响的抛石层实际起到不完全隔热板的作用，起初由于隔热作用，使路基下热量散发慢，路基下温度相对普通路基还高，但随时间推移，温度相对普

10、通路基要低，但相对原始地温，路基下温度仍是逐渐升高，说明隔热板的作用只是延缓路基下地基的升温速度。 对抛石不分区处理的模型中，路基下热融化盘的范围相对前两种要小，但地表附近冷季冻结强度大，热季正温值也高，反映了抛石层的热循环作用强烈，使表层温度变化幅值大。相对地表浅部，深部地温升幅较小，特别是一定时间之后，深部温度基本能保持不变，说明这种情况下抛石层表现了一定程度的制冷作用。但中心孔附近融化最低深度相对前两种情况没用提升。 对抛石进行分区处理的模型中，抛石路基的冷却效果是很明显的，它能迅速大幅度提高永久冻土上限，并使其下部地温逐年降低。,一、抛石路基冷却机制探讨,普通路基,抛石路基（不计空气影

11、响）,抛石路基（不分区）,抛石路基（分区）,不同模拟模型下中心孔原始地表下不同深度T-t图,模拟结果:,一、抛石路基冷却机制探讨,天然地表,天然地表下1.5m,天然地表下3m,天然地表下10m,中心孔不同深度位置不同模拟模型T-t图对比,模拟结果:,一、抛石路基冷却机制探讨,效果对比2,中心孔下各点温度随时间的变化与地表温度变化表现出相似的规律，只是幅值和相位不同，点位越深，幅值越小，相位滞后越多。 路基中心地温的稳定均需要一定时间，普通路基、不计空气影响的抛石路基、对抛石不分区的抛石路基地温达到稳定需要时间较短，一般1年就能稳定，分区计算的抛石路基地温达到基本稳定需要时间较长，可达6-8年。

12、各模型下，位置越深，达到稳定需要时间越长。 从地基中心温度年变化幅值上看，不计空气影响的抛石层最小，变化范围1.2-2，因为这种效果相当于不完全隔热板，降低了热量传入与传出的幅度。温度变化幅值最大的为不分区的抛石层，变化范围4.2-4.7，说明抛石层内空气循环强烈，加强了对地表的热扰动幅度，表明该种模型放大了边坡的热效应。其次为分区抛石层模型，变化范围1.6-6，表明空气发挥了一定的作用。普通路基温度变化范围3.2-2.7，介于中间。但从正温度看，以不计空气影响的抛石路基和分区计算的抛石路基最低，表明这两种情况下受热扰动最小。从负温度看，以分区计算的抛石路基最低，表明这种情况下冷季冻结强度最大

13、。,一、抛石路基冷却机制探讨,抛石路基冷却效果分析,普通路基中心孔第10年地温等温线图,地温基本稳定后（第10年）中心孔年地温变化,模拟结果:,一、抛石路基冷却机制探讨,抛石路基（不计空气影响）中心孔第10年地温等温线图,地温基本稳定后（第10年）中心孔年地温变化,模拟结果:,一、抛石路基冷却机制探讨,抛石路基（不分区）中心孔第10年地温等温线图,地温基本稳定后（第10年）中心孔年地温变化,模拟结果:,一、抛石路基冷却机制探讨,抛石路基（分区）中心孔第10年地温等温线图,地温基本稳定后（第10年）中心孔年地温变化,模拟结果:,一、抛石路基冷却机制探讨,效果对比3,永久冻土上限的位置应以一年中融

14、化的最低点为准。 从图中可以看出： 普通路基中心孔的永久冻土上限为4.4m，相对天然状况下降0.7m 抛石路基（不计空气影响）中心孔的永久冻土上限为2.3m，相对天然状况抬升1.4m 抛石路基（不分区）中心孔的永久冻土上限为3.2m，相对天然状况抬升0.5m 抛石路基（分区）中心孔的永久冻土上限为1.2m，相对天然状况抬升2.5m,一、抛石路基冷却机制探讨,抛石路基冷却机制探讨,通过模拟结果，可得到如下认识： 普通路基对地基产生加热效应，使路基下冻土温度升高，永久冻土上限下降； 不考虑空气的抛石层模型实际等于不完全隔热层，引起导热系数小，热传导速度较慢，使得永久冻土上限短时内有一定抬升，但它不

15、能阻挡路基对地基的加热效应，路基下地温仍逐年上升，只是相对普通路基较缓慢； 不分区计算的抛石层模型不但对永久冻土上限位置抬升不明显，而且使季节冻融层年温度变化幅度加大，即在冷季加强地基的冷冻作用，热季也同样加强热循环。但永久冻土层地温基本保持平衡，只在路基施工后短时间内有一定温度抬升，之后基本不变，说明这种模型下的抛石层对永久冻土层起到一定的保护，有一定的制冷效果，但对季节冻土层加大了冻融幅度； 将抛石层分区的模型制冷效果最为明显，它显著的抬升了永久冻土的上限位置，并对永久冻土层产生强的制冷作用，使得永久冻土层温度持续下降，这种过程最初快，而后逐渐减弱，约7-8年基本趋于稳定。 因此，抛石层的

16、制冷作用不仅体现在空气在自然状况下受热上升、受冷下降的半导体传热作用，更在于抛石层在垂直方向上的管道效应和水平方向上对孔隙空气流动方向的转化，极大地抵制了边坡的热效应影响。,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,采用抛石路基分区的算法及以上所采用的边界条件和初始条件，对1.5m厚抛石上覆1.5m、2.5m、3.5m、4.5m、5.5m、6.5m、7.5m和8.5m厚砂砾石情况下的路基地温进行模拟，以探讨砂砾石厚度对抛石路基冷却效果的影响。,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,各种厚度情况下路基运营不同时间后路基温度场,砂砾石厚1.0m情况下,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的

17、影响,各种厚度情况下路基运营不同时间后路基温度场,砂砾石厚1.5m情况下,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,各种厚度情况下路基运营不同时间后路基温度场,砂砾石厚2.0m情况下,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,各种厚度情况下路基运营不同时间后路基温度场,砂砾石厚2.5m情况下,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,各种厚度情况下路基运营不同时间后路基温度场,砂砾石厚3.5m情况下,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,各种厚度情况下路基运营不同时间后路基温度场,砂砾石厚4.5m情况下,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的

18、影响,各种厚度情况下路基运营不同时间后路基温度场,砂砾石厚5.0m情况下,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,各种厚度情况下路基运营不同时间后路基温度场,砂砾石厚5.5m情况下,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,各种厚度情况下路基运营不同时间后路基温度场,砂砾石厚6.0m情况下,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,各种厚度情况下路基运营不同时间后路基温度场,砂砾石厚6.5m情况下,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,各种厚度情况下路基运营不同时间后路基温度场,砂砾石厚7.5m情况下,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的

19、影响,各种厚度情况下路基运营不同时间后路基温度场,砂砾石厚8.5m情况下,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,在抛石路基下地基地温场的稳定需要很长的一段时间，第5年和第10年的温度场还存在一定的差别，说明在初始的稳定调整之后，地基的冷却是缓慢的。 同一年内，地基中的温度变化要滞后于地表温度变化很长一段时间，甚至半年。十月地表温度开始变为负值后，路基中才开始融化盘的扩大和下沉，融化盘持续时间与上覆砂砾石厚度密切相关，基本规律是砂砾石越厚，持续时间越长。因此路基的完全冻结时间也是不等的，砂砾石厚度薄，路基完全冻结时间就早，如厚度小于3m时，次年1月地基已完全冻结，厚度为8.5m时，

20、次年4月还存在融化盘。 另一方面，路基深部的温度与天然地表下同一深度相比，砂砾石厚度越厚，地温值越高，表明砂砾石增厚降低了抛石顶底的温差，从而降低了其制冷强度。,冷却效果对比1,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,不同砂砾石厚度情况下中心孔原始地表下不同深度T-t 图,砂砾石厚度1.0m 砂砾石厚度1.5m,砂砾石厚度1.5m 砂砾石厚度2.5m,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,砂砾石厚度3.5m 砂砾石厚度4.5m,砂砾石厚度5.0m 砂砾石厚度5.5m,不同砂砾石厚度情况下中心孔原始地表下不同深度T-t图,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,砂砾石厚

21、度6.0m 砂砾石厚度6.5m,砂砾石厚度7.5m 砂砾石厚度8.5m,不同砂砾石厚度情况下中心孔原始地表下不同深度T-t图,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,中心孔不同深度位置不同砂砾石厚度情况下T-t图对比,天然地表下0m,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,中心孔不同深度位置不同砂砾石厚度情况下T-t图对比,天然地表下1.5m,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,中心孔不同深度位置不同砂砾石厚度情况下T-t图对比,天然地表下3m,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,中心孔不同深度位置不同砂砾石厚度情况下T-t图对比,天然地

22、表下10m,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,同一砂砾石厚度下，中心孔不同深度点的T-t曲线表现出相似的变化规律，只是幅值和相位不同，点位越深，幅值越小，相位滞后越多。 同一深度点在不同砂砾石厚度下的T-t图显示，一方面地基中温度变化的幅值随砂砾石厚度增大而减小，另一方面地基中温度值随厚度的增加而升高，降温幅度也越来越小。,冷却效果对比2,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,地温基本稳定后中心孔年地温变化,地温基本稳定后（第10年）中心孔年地温变化,砂砾石厚1.0m,砂砾石厚1.5m,砂砾石厚2.0m,砂砾石厚2.5m,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,

23、地温基本稳定后（第10年）中心孔年地温变化,砂砾石厚3.5m,砂砾石厚4.5m,砂砾石厚5.0m,砂砾石厚5.5m,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,地温基本稳定后（第10年）中心孔年地温变化,砂砾石厚6.0m,砂砾石厚6.5m,砂砾石厚7.5m,砂砾石厚8.5m,模拟结果:,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,路基中心永久冻土上限位置及最深融化时间如下表及图。总体规律表现为随厚度增加，路基中心永久冻土上限位置逐渐抬升，最深融化时间逐渐推后，但在砂砾石厚1.5m及5.5m两处出现两个突变点，极大地抬升了永久冻土上限位置。这种情况的出现可能与空气的对流机制有关。,冷却效果对

24、比3,问王爱国,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,抛石上覆砂砾石越厚，地表温度变化传到抛石层顶的幅值将相应减小，从而降低抛石中空气对地基的制冷强度。在模拟所给边界条件及模型下，当砂砾石厚度小于6m时，抛石制冷能能力大于路基施工带来的热影响，永久冻土层温度持续下降，冻结强度要大于天然状况。当砂砾石厚度大于6m时，抛石制冷能能力小于路基施工带来的热影响，虽然永久冻土层没有达到融化，但温度要大于天然状况。 在模拟的砂砾石最大厚度情况内，地基中永久冻土层上限的抬升幅度总体表现为随砂砾石厚度的增加而增加，但存在1.5m和5.5m两个异常点，在这两个异常点，永久冻土上限位置抬升幅度相对较大，特别是砂

25、砾石厚5.5m时，永久冻土上限位置超过了天然地表。,影响探讨,砂砾石厚度的变化对抛石路基的冷却效果是存在很大影响的，主要表现在永久冻土的上限位置抬升幅度及永久冻土层的冻结强度两方面。归纳起来有如下几点：,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,砂砾石厚度越大，地基中温度场的变化与地表温度变化滞后时间越来越大，当砂砾石厚度达到8.5m时，甚至在次年7月地基中还存在融化盘。 砂砾石厚度增加对永久冻土上限位置的抬升是以降低永久冻土层的冻结强度为代价的，设计砂砾石厚度与抛石厚度的关系要兼顾永久冻土上限抬升及永久冻土冻结强度两方面。如果存在如模拟得到的两个突变点，最好能找到这样的突变厚度，既能大幅抬升永久冻土上限位置，又能增加永久冻土的冻结强度。,影响探讨,砂砾石厚度的变化对抛石路基的冷却效果是存在很大影响的，主要表现在永久冻土的上限位置抬升幅度及永久冻土层的冻结强度两方面。归纳起来有如下几点：,二、上覆砂砾石厚度对抛石冷却效果的影响,对随砂砾石厚度增加而永久冻土上限不断增加的认识：前面说到永久冻土上限位置的抬升是以降低永久冻土层的冻结强度为代价的， 这种抬升趋势不可能一直持续