熱棒對多年凍土路基穩(wěn)定性的影響.pdf

第 22 卷 第 5 期 2009 年 9 月 中 國 公 路 學(xué) 報 China Journal of Highway and Transport Vol 22 No 5 Sept 2009 文章編號 1001 27372 2009 05 20015 206 收稿日期 2008 212225 基金項目 國家自然科學(xué)基金項目 50678076 十一五0國家科技支撐計劃重點項目 2006BAC07B02 作者簡介 孫 文 19762 男 山西大同人 講師 工學(xué)碩士 E2mail sunwen1223 163 com 熱棒對多年凍土路基穩(wěn)定性的影響 孫 文1 吳亞平1 郭春香1 張魯新2 1 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730070 2 青藏鐵路公司 青海 西寧 810007 摘要 建立了多年凍土路基溫度場的三維數(shù)值計算模型 并采用有限元方法對普通路基 熱棒路基 在未來 50 年內(nèi)氣溫上升 2 6 e 情況下的溫度場進(jìn)行了預(yù)報分析和比較 研究中考慮了路基陰陽坡 差異 并以現(xiàn)場實測地溫數(shù)據(jù)為依據(jù) 計算結(jié)果表明 路基陰陽坡的熱差異會導(dǎo)致路基下伏土層溫 度場不對稱 由此可引起路基橫向的不均勻變形 在氣溫升高條件下 未來 50 年內(nèi)普通路基將會產(chǎn) 生較大融沉變形 不能保證路基的長期穩(wěn)定性 加熱棒后的路基融化深度均小于普通填土路基的融 化深度 陰陽坡溫度差異也有明顯降低 說明熱棒結(jié)構(gòu)路基可以抵消氣候變暖的影響 從而可以保 證路基的穩(wěn)定性 關(guān)鍵詞 道路工程 多年凍土 有限元方法 溫度場 熱棒 穩(wěn)定性 中圖分類號 U416 168 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 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 地球上多年凍土分布面積廣闊 全球多年凍土 面積約占陸地面積的 25 中國多年凍土面積約占 國土面積的 22 4 1 隨著社會 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 多 年凍土地區(qū)公路工程建設(shè)越來越多 對于凍土路基 普遍存在的以凍脹和融沉為主的嚴(yán)重病害 229 目前 在對凍土的保護(hù)方面 采用熱棒技術(shù)是其中一個措 施 熱棒具有傳熱能力大 傳熱溫差小 啟動溫度 低 單向傳熱以及安全等特性 10 在進(jìn)入寒季時 當(dāng)熱棒蒸發(fā)段周圍土體的溫度高于外界大氣溫度 時 熱棒蒸發(fā)段所充填工質(zhì)吸熱汽化并向上流動 經(jīng) 絕熱段后遇到比其溫度低的冷凝段凝結(jié)放熱 熱量 經(jīng)冷凝段壁面和外部翅片傳出并由低溫的外部空氣 對流換熱帶走 與此同時 在冷凝段冷凝的工質(zhì)蒸汽 變?yōu)橐簯B(tài) 由于重力作用 液態(tài)工質(zhì)沿壁面流回蒸發(fā) 段 并再次吸熱汽化 這樣不斷地循環(huán)就能將蒸發(fā)段 附近土體的熱量帶出排入大氣 從而為附近土體降 溫 另外 由于熱棒傳熱的單向性 進(jìn)入暖季時 外 部大氣溫度比蒸發(fā)段附近土體的溫度高 熱棒停止 傳遞熱量 從而能夠有效保證在暖季的熱量不被傳 入蒸發(fā)段附近土體 那么在一個寒暖周期中 蒸發(fā)段 附近土體溫度可以得到有效的降低 起到保護(hù)多年 凍土穩(wěn)定性的作用 在熱棒路基的數(shù)值計算方面 部分學(xué)者進(jìn)行了 相關(guān)研究 劉奉喜等 11 就熱棒間距因素對凍土路基 的作用效果進(jìn)行了分析 盛煜等 12 對凍土區(qū)熱棒路 基溫度場進(jìn)行了非線性分析 馬巍等 13 對積極保護(hù) 凍土路基的幾種措施進(jìn)行了分析比較 孫增奎等 14 結(jié)合青藏鐵路某段實際監(jiān)測數(shù)據(jù) 對地溫場進(jìn)行了 有限元數(shù)值模擬 上述研究的特點是對邊界條件 初始條件進(jìn)行假設(shè) 沒有考慮實際地溫場的變化及 路基陰陽坡差異 因此造成計算結(jié)果可能和實際結(jié) 果有差異 本文中針對上述情況 考慮路基陰陽坡 差異 以現(xiàn)場實測地溫場數(shù)據(jù)為依據(jù) 考慮受全球氣 候變暖的影響 青藏高原多年凍土區(qū)氣溫升高的情 況下 對普通路基和熱棒路基的溫度場變化進(jìn)行了 分析比較 進(jìn)而對多年凍土區(qū)熱棒對路基穩(wěn)定性的 影響進(jìn)行分析 1計算模型參數(shù)及邊界條件 本文中以年平均氣溫為 5 6 e 的唐古拉山北 麓凍土區(qū)的某路基結(jié)構(gòu)為計算模型 計算中路堤高 度取為 4 0 m 路基頂寬為 7 6 m 邊坡坡度取為 1B1 5 計算模型 圖 1 中左右路肩和坡腳處各放 置 1支熱棒 路基走向方向上熱棒間距取為 2 8 m 計算區(qū)域中土體的密度和導(dǎo)熱系數(shù)采用唐古拉山區(qū) 鉆孔取樣實測值 土體比熱容按照各物質(zhì)成分加權(quán) 平均計算 計算區(qū)域內(nèi)土體參數(shù)見表 1 計算地段 的初始溫度場采用實測溫度場 這樣使得計算邊界 條件更接近于現(xiàn)場實際情況 熱棒采用氨為工質(zhì)且 垂直放置 熱棒長 7 m 蒸發(fā)段長 4 m 冷凝段有效 散熱面積 3 m2 熱棒的啟動溫差為 0 8 e 空氣與 冷凝段的對流換熱系數(shù) A為 15 表 1填土路基的土層熱物理參數(shù) Tab 1Thermo 2physical Parameters of Soil Layers of Filling Roadbed 土層深度 m巖性含水量 密度 g cm 3 干密度 g cm 3 熱容量 kJ m3 e 1 導(dǎo)熱系數(shù) W m e 1 融土凍土融土凍土 地面以上路基填土 砂礫土6 02 302 172 183 01 693 71 912 61 0 1 4細(xì)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砂巖及風(fēng)化巖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 熱棒的傳熱量為 Q A F T t 2 式中 Q 為熱棒的傳熱量 T t 為熱棒周圍路基土 溫度與環(huán)境內(nèi)部的溫差 其中 t 為時間 T 為熱棒周 圍路基土溫度 TA為環(huán)境溫度 F 為有效散熱面積 計算中將 Q 以線性熱流的形式加載于蒸發(fā)段 忽略蒸汽流動熱阻和熱管蒸發(fā)段與土體的接觸 熱阻 根據(jù)實測結(jié)果 同一路基斷面邊界條件分別為 天然地表溫度 TA 0 058 9 91sin 2P 8 760 P 2 左坡腳溫度 16中 國 公 路 學(xué) 報 2009 年 圖 1熱棒結(jié)構(gòu)路基 單位 m Fig 1Roadbed with Two 2phase Closed Thermosyphon Unit m TA 2 12 9 41sin 2P 8 760 P 2 左側(cè)路肩 陽坡 溫度 TA 0 76 7 6sin 2P 8 760 P 2 路基中心溫度 TA 0 46 9 91sin 2P 8 760 P 2 右側(cè)路肩 陰坡 溫度 TA 0 46 7 6sin 2P 8 760 P 2 右坡腳溫度 TA 1 82 9 41sin 2P 8 760 P 2 2控制微分方程及有限元方程 由于土體初始含水量不高 考慮到土骨架和介 質(zhì)水的熱傳導(dǎo)和冰水相變作用 且認(rèn)為未凍水含量 是溫度的函數(shù) 因此對于凍土的凍結(jié)和融化過程均 忽略土壤水分的流動和滲透作用 土體中的溫度 T x y z t 應(yīng)滿足熱傳導(dǎo)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 下標(biāo) f 和 u 分別表示凍結(jié)和融化狀態(tài) Q為土 體密度 c 為土體比熱容 K為導(dǎo)熱系數(shù) L 為水的相 變潛熱 w0為初始含水量 N為凍融界面 n 為凍融 界面上的方向 x y z 為坐標(biāo) 側(cè)面固定邊界上的邊界條件 絕熱邊界條件 為 5T 5n 0 底面固定邊界上的邊界條件 溫度梯度 為 5T 5n 0 018 e m 1 考慮未來 50 年氣溫升高 2 6 e 頂面固定邊 界上的邊界條件為 T t 432 000 T A 由于凍土的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化而變 化 加上兩相界面的位置也是不固定的 因此該問題 在數(shù)學(xué)上是強(qiáng)非線性問題 無法獲得解析解 本文中 采用數(shù)值解法 以形函數(shù)為權(quán)函數(shù) 求得該問題的有 限元方程為 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 均為系數(shù)剛度矩陣 Kij Kcij Fi分別 為系數(shù)剛度矩陣的元素 8 e 為單位積分區(qū)域 e 2為 單元與大氣接觸的邊界弧長 Ni Nj為形函數(shù) 3數(shù)值計算結(jié)果與分析 3 1路基溫度場的基本形態(tài) 為了研究熱棒對凍土路基穩(wěn)定性的影響 對普 通路基 熱棒路基的溫度場分別進(jìn)行了分析 由青 藏高原實測資料可知 10 月份是上述路基達(dá)到最大 融化深度的時間 因此選用 10 月 15 日的溫度場進(jìn) 行分析比較 由圖 2 a 可以看出 路基修筑第 3 年 后的 10 月 15日 天然地面下多年凍土上限深度約 為 2 135 m 路基中最大融化曲線峰值比地面天然 上限抬高了 2 6 m 由圖 2 b 可以看出 加熱棒后 的路基施工完成 3 年后的 10 月 15 日 溫度分布和 普通填土路基的溫度場相比 同一深度 熱棒路基的 溫度略低于普通路基的溫度 該地區(qū)近地面大氣溫 度和路基下多年凍土的溫差已經(jīng)大于熱棒的工作啟 動溫差 此時路基中的熱棒已經(jīng)開始工作 開始將大 氣中冷能輸送到路基下伏的多年凍土中 圖 3 為普 通填土路基和熱棒路基修筑第 15 年后 10 月 15 日 的路基溫度分布 圖 4為普通填土路基和熱棒路基 修筑第 50 年后的 10 月 15 日的路基溫度分布 和 普通填土路基相比 由于熱棒的凍結(jié)作用 路基下伏 多年凍土的溫度總體上比同期普通填土路基的溫度 明顯要低 在路基修筑后的第 50 年 路基下多年凍 土最大融化曲線略高于天然地面原多年凍土上限 由于氣候變暖天然地面下多年凍土發(fā)生了嚴(yán)重的退 化 而熱棒路基下仍存在著 1 3 e 的凍結(jié)核 在 50 17第 5 期 孫 文 等 熱棒對多年凍土路基穩(wěn)定性的影響 年氣候升高 2 6 e 條件下 熱棒結(jié)構(gòu)路基下伏凍土可 以回凍完全 回凍溫度較低達(dá) 1 6 e 3 2人為上限的變化 計算結(jié)果表明 考慮未來50年氣溫升高 2 6 e 的條件下 由于青藏高原凍土在上限附近普遍為高 含冰量凍土 此部分凍土融化后產(chǎn)生的融沉量將超 過路基的設(shè)計沉降量 路基部分將發(fā)生很大的變 形 對路基造成很大的破壞 由圖 5 可以看出 普通 填土路基在施工完成后 50 年內(nèi)路基斷面上各部位 的融化深度逐漸降低 人為上限逐漸升高 而在同 一時期 加熱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 這說明熱棒結(jié)構(gòu)路基可以 抵消氣候變暖的影響 可以保證路基下伏凍土不發(fā) 生融化 同時保證路基的穩(wěn)定性 3 3路基陰陽坡的差異 由于受路基邊坡吸熱和邊坡填土較薄的影響 普通路基中融化深度曲線形態(tài)特點呈上凸形狀 陽 坡曲線較陡 陰坡曲線較緩 以路基上道床中心為參 照點 曲線峰值點略向右肩 陰坡 偏移 造成路基左 肩 陽坡 融化深度比右肩 陰坡 融化深度要大 路 18中 國 公 路 學(xué) 報 2009 年 基修筑后第 3 年的 10 月 15 日 左路肩 陽坡 融化 深度比右路肩融化深度大 0 42 m 左坡腳融化深度 比右坡腳融化深度大 0 54 m 在路基施工后的 10 年內(nèi) 路基左肩 陽坡 融化深度比右肩 陰坡 融化 深度要明顯大 在路基施工后的 10 30 年內(nèi) 路基 左肩 陽坡 的融化深度仍比右肩 陰坡 融化深度要 大 但幅度有所降低 由圖 2 b 3 b 可以看出 熱 棒路基由于熱棒的制冷作用 左右兩邊的不對稱性 仍然存在 但不太明顯 以路基修筑后第 50 年的 10 月 15 日為例 左路肩 陽坡 融化深度比右路肩融化 深度大 0 12 m 左坡腳融化深度比右坡腳融化深度 大0 16 m 4結(jié)語 1 在年平均氣溫為 5 6 e 的唐古拉山北麓 多年凍土區(qū)路基 50 年的使用期內(nèi) 普通填土路基在 氣溫升高條件下路基下伏凍土都將發(fā)生融化 路基將 會產(chǎn)生較大融沉變形 不能保證路基的穩(wěn)定性 熱棒 路基具有主動冷卻的作用 可以更好地保護(hù)凍土 2 路基計算結(jié)果表明 在未來 50 年氣溫上升 2 6 e 的條件下 在年平均氣溫為 5 6 e 的唐古 拉山北麓凍土地區(qū) 普通填土路基在施工完成后50 年內(nèi)路基斷面上各部位的融化深度逐漸降低 人為 上限逐漸升高 而在同一時期 加熱棒后的填土路 基的融化深度均小于普通填土路基的融化深度 這 說明熱棒結(jié)構(gòu)路基可以抵消氣候變暖的影響 從而 可以保證路基的穩(wěn)定性 3 考慮陰陽坡的差異 由于受路基邊坡吸熱和 邊坡填土較薄的影響 以路基上道床中心為參照點 最大融化深度曲線峰值點略向右肩 陰坡 偏移 造成 路基左肩 陽坡 融化深度比右肩 陰坡 融化深度要 大 由此可引起路基橫向的不均勻變形 而且在同一時 期 普通路基的