块石路基在青藏铁路建设中的应用技术研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 王爱国 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-05-09 |
| 授予单位 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 授予地点 | 寒区旱区环境与工程研究所 |
| 导师 | 马巍 |
| 关键词 | 青藏铁路 块石路基 块石路基设计 块石粒径 块石层厚度 块石上覆层厚度 渗流瑞利数 临界瑞利数 |
| 其他题名 | Study on the Applied Technology of Block-Rock Embankment in the Construction of Qinghai-Tibet Railway |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 中文摘要 | 青藏铁路全长1142km，穿越多年冻土区长度为632Km。铁路的设计与建设以“主动冷却路基”为思路和理念，采用了大量的手段进行冻土地温的调控，保护冻土及路基的稳定。块石路基具有隔热制冷的热半导体作用，作为调控地温的主要手段之一，在青藏铁路建设中被大量采用。本论文围绕块石路基的制冷原理、应用效果及设计应用技术，从传热学、多孔介质渗流理论分析了块石路基的传热特征及机制；对比分析了青藏铁路不同冻土分区、不同路堤结构的块石路基温度场观测数据及应用效果；并以数值模拟方式研究了设计应用中块石上覆层厚度及块石层厚度变化对冻土路基冷却效果的影响两个关键问题；在理论分析、实际观测数据分析及模拟分析的基础上，提出了采用块石层中空气最大对流瑞利数Ra及对流模式（2，1）与（1，1）临界瑞利数Rac进行路基块石粒径、块石层厚度与上覆层厚度最优取值的方法。主要研究内容及结论如下： 1、块石路基传热特性研究表明，块石层由于其大孔隙性及块石间的点接触，对冻土及路基的保护作用一方面表现为综合热传导能力大大减弱，本身具有保温层的作用；另一方面在于块石间空气的对流作用及冷暖季节对流差异产生的年负积温对冻土有降温冷却作用。 2、由于块石路基块石的等粒径性及堆放的随机性，块石路基传热性质具有三维等效均匀性。对线性工程，块石路基传热问题可等效的看成是二维有限区域多孔介质传热传质问题。块石间空气的自然对流遵从达西定律及修正的达西公式，对流形态及强度取决于空气渗流瑞利数Ra及块石层的形状。 3、从有效发挥块石层的对流导热能力及降低块石层的等效热传导系数两方面看，块石粒径越大，效果越好。块石粒径小，圆度相对要高，接触点比例增多，等效热传导系数相对要大，同时，块石层间孔隙变小，渗透率变小，不利于空气对流的发生。 4、青藏铁路块石路基温度观测数据显示，不同冻土分区的块石路基对深部冻土都有一定的冷却效果，但冷却效果显示不一。年平均地温较低的区域，块石路基制冷效果显示相对较好，而高温冻土区，对深部冻土的冷却效果显示不明显。 5、青藏铁路块石路基温度观测数据对比分析显示，块石路基的制冷能力及对冻土的冷却效果与块石路基的应用环境、块石路基几何结构、块石粒径及块石本身的热学物理参数等因素有关。块石上覆砂砾石层厚度太大，将降低块石层顶底温差，不利于块石层空气的对流发生及强度，降低了块石层制冷作用；块石粒径越大，越有利于块石层空气对流的发生，制冷效果要优于小粒径块石；较宽块石护道，更有利于冻土及路基的稳定。 6、块石上覆砂砾石厚度的变化对块石路基冷却效果的影响分析表明，对一定块石层厚度的块石路基，上覆砂砾石层厚度增加，会加大路堤高度和宽度，带来较大的初始热扰动，降低块石层顶底温差，减弱块石的制冷能力。块石上覆砂砾石厚度的增加，能有限的抬升路基中心冻土上限，但其代价是深部冻土地温的抬升、路堤季节融化层厚度大幅增加及路基坡脚附近的冻土上限降低。 7、对一定厚度的块石层，存在一最优的上覆层厚度，使块石制冷能力最强，对深部冻土冷却程度最高。最优厚度为使块石层空气在冬季最大渗流瑞利数位于对流模式（2，1）及（1，1）的临界瑞利数之间的上覆层厚度。在该厚度时，块石层冬季能形成大的对流循环，外界冷空气能直接进入块石层内部进行热量交换。 8、不同厚度块石层的制冷效果模拟研究表明，对固定上覆层厚度的块石路基，块石层存在一最优厚度，使冻土上限抬升最大，同时使深部冻土冷却程度最高。该最优块石层厚度也为使块石层空气冬季最大渗流瑞利数位于对流模式（2，1）及（1，1）的临界瑞利数之间的块石层厚度。块石厚度较小时，块石中空气的渗流瑞利数小，块石层对流强度弱，且为单层多涡胞对流模式，热交换局限在局部区间，不利于块石制冷作用的发挥；块石厚度过大时，由于边坡效应，块石层夏季的空气热对流强度也较大，对冻土路基的热扰动加强，不利于冻土上限的抬升，同时，冬季热对流形成多层对流模式，反不利于底部冻土层的降温。 9、分析表明，块石路基设计的原则是要保证路基夏季隔热与冬季制冷能力同步增长，产生最大的年负积温，并控制季节融化深度在一定范围内。本论文通过综合研究提出了以块石层中空气最大对流瑞利数Ra、对流模式（2，1）与（1，1）临界瑞利数Rac、季节融化深度及施工成本节约几个控制方程进行路基块石粒径、块石层厚度与上覆层厚度最优组合取值的方法，并以北麓河地区为例进行了计算，结果表明该方法是可行的。该方法除用于块石路基设计外，还可用于路基后期维护中，也适用块石护道的设计。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-08-22 |
| 页码 | 99 |
| 源URL | [http://ir.casnw.net/handle/362004/21553]  |
| 专题 | 寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王爱国. 块石路基在青藏铁路建设中的应用技术研究[D]. 寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2008. |
入库方式： OAI收割
来源：寒区旱区环境与工程研究所
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