1、第 36 卷 第 4 期2014 年 8 月冰川凍土JOUNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCYOLOGYVol 36，No 4 Aug ，2014doi: 10 7522 / j issn 1000-0240 2014 0104Liu Ge，Yuan Kun，Li Jinping，et al Model test study of the cooling effect of the embankment composited with ventilated duct and crushed rockJ Journal of Glaciology and Geocryology

2、，2014，36( 4) : 870 875 劉戈，袁堃，李金平，等 透壁式通風管-塊石復合氣冷路基室內模型 試驗研究J 冰川凍土，2014，36( 4) : 870 875透壁式通風管塊石復合氣冷路基 室內模型試驗研究劉戈1 ， 袁堃1，2 ， 李金平1 ， 穆柯1( 1 中交第一公路勘察設計研究院，陜西 西安 710075; 2 中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)摘 要: 為了研究透壁式通風管-塊石復合氣冷路基的降溫效果，針對年均氣溫約 3 5 ，平均風速 2 5 m·s 1 ，主導風向為西北方向的高原環境條件開展室內模型試驗

3、，分析了單一塊石氣冷路基和透 壁式通風管-塊石復合氣冷路基的孔隙空氣對流速度、特征點地溫變化過程以及模型整體溫度場變化過 程 結果表明: 在透壁式通風管的疏導作用下，透壁式通風管與塊石層的復合結構能夠起到強化路基 體對流的效果，復合路基塊石孔隙中的空氣流速比單一塊石路基提高約 20% ，由此導致復合路基模型 底部的降溫幅度是單一塊石路基模型的 2 2 倍 模型整體溫度場表明，復合路基能夠起到儲存冷量、 降低下伏多年凍土地溫的作用關鍵詞: 路基工程; 降溫效果; 模型試驗; 透壁式通風管-塊石復合氣冷路基; 多年凍土中圖分類號: U416文獻標識碼: A文章編號: 1000-0240( 2014

4、) 04-0870-060引言融沉是多年凍土地區路基的主要病害1 4，在 青藏高原氣候轉暖以及凍土持續退化的背景下5， 為控制厚層地下冰的融化，在多年凍土地區道路建 設中，開展了一系列以主動降溫、冷卻地基和保護 凍土為原則的工程措施研究6 9 通風管路基和塊 石路基都是多年凍土區公路工程中比較常用的調控 措施10 11，通風管路基可直接將外界冷空氣導入 路基體內，相比普通路基可進一步降低下伏多年凍 土的溫度，但由于它是利用空氣在管內對流與管壁 發生熱傳導，從而影響到管壁及周圍土體的溫度 場，導致其實際傳熱效率不是太高12 塊石路基 雖然能夠緩慢降低下伏多年凍土的溫度，但是塊石相結合的一種復合通

5、風路基，空氣可以透過管壁的 孔眼穿透到管周圍塊石中去，與塊石中的氣體進行 對流熱交換，充分利用了多孔介質與空氣的熱對流 與熱傳導，達到了主動冷卻路基的目的13 15 由 于目前有關通風管-塊石復合路基的聯合作用機理 研究較少，工程上也鮮有這方面的應用，本文主要 從室內模型試驗對該復合措施開展研究，為后期工 程應用提供參考1 相似準則1 1 數學模型帶相變的瞬態三維溫度場問題的熱平衡控制微 分方程為:)在 f 內，層內的對流范圍和強度都十分有限 本文綜合考慮T Tf Tf Tf管道通風路基強對流和塊石路基影響范圍廣的優Cf t= x ( f x )+y ( f y )+z ( f z( 1)點，

6、提出將透壁式通風管( 以下簡稱通風管) 與塊石在 u 內，收稿日期: 2014-03-17; 修訂日期: 2014-06-23基金項目: 中交集團重大科技項目( 2007-ZJKJ-07) ; 國家重點基礎研究發展計劃( 973 計劃) 項目( 2012CB026106) ; 國家科技支撐計劃項 目( 2014BAG05B03) 資助作者簡介: 劉戈( 1979 ) ，男，山東泰安人，高級工程師，2013 年在中國科學院寒區旱區環境與工程研究所獲博士學位，現主要從事公 路工程研究 E-mail: 416954907 qq com4 期劉 戈等: 透壁式通風管-塊石復合氣冷路基室內模型試驗研究8

7、71Tu Tu Tu) Tu1 2相似方程推導Cu t =x ( uxy uyz u z( 2)由于試驗的目的是研究路基在鋪有通風管條件)+()+(式中: 符號 f、u 分別表示凍結和融化狀態; Tf 、C f 、f 分別為正凍區 f 內土體的溫度、體積熱容和導 熱系數; 帶“u”者表示融區 u 內的相應物理量凍融移動邊界 s ( t) 上必須滿足連續條件和能量守恒條件:Tf ( s( t) ，( t) = Tu ( s( t) ，t) = Tm( 3)下的溫度場問題，不考慮凍脹融沉、應力場等問 題，且凍土通風路基的溫度場受很多因素的影響， 只能進行近似的相似模擬 下面利用相似轉換法進 行相似

8、推導，從方程( 10) 及邊界條件和初始條件方程( 5) 、( 6) 和( 7) 中進行相似準則推導 1 2 1控制微分方程的相似推導Tff n uTun = Lds( T)( 4)dt從式( 10) 中可以看出影響路基溫度場的物理 量有 ，t，T，x，y，其中，基本量 4 個，根據相似第式中: L 為含水巖土的相變潛熱在固定邊界上的邊界條件為: T二定理知相似準則數為 1 個設與式( 10) 相似的模型導熱方程為:1T = T n= ( T T)( 5) 1 T'= ( T' ) + ( T' ) + ( T' )( 11)式中: 為對流換熱系數; Ta 為環

9、境溫度; n1 為固' t'x'x'y'y'z'z'定邊界的方向矢量寫出單值條件的相似常數:初始條件:Cc = c c'C = 'CT = T T'Ct = t t'在 f 內，Tf= T0( 6) x =Cxx'Cy = y y'Cz = z ( 12)z't = 0將式( 12) 代入式( 10) 中得:在 u 內， C C 222() + C() + C()TT' =T T'T T'T T'Tut = 0= T0( 7)C Ct '

10、; t'Cx x'x'Cy y'y'Cz z'z'由于凍土的相變不是嚴格在某一特定的溫度下 發生，而主要是在劇烈相變區這樣一個較小的溫度范圍內發生，因此可以將凍土的相變潛熱視為在一即: 1 T'( 13)=+CCCxyzC Ct ( T' ) C Ct ( T' ) C Ct ( T' )個小的溫度范圍內的大熱容，這樣就能將分區描述 的控制微分方程式( 1 ) 、式( 2 ) 以及兩相界面處的' t'2 x'x'2 y'y'2 z'z'( 14

11、)溫度連續條件式( 3 ) 和能量守恒條件式( 4 ) ，簡化比較式( 14) 與式( 11) 得:為在整個求解區域上適用的非線性導熱方程 根據C Ct = 1C2xC Ct = 1C2yC CtC2z= 1( 15)顯熱容法，方程( 1) ( 4) 可化為如下形式:將式( 12) 代入式( 15) 中得:CfT Tm T2+ 2TTm T T Tm + T( 8) t x2 t y2 t z2C = Cu + CfL' t' = 1' t' = 1' t'= 1( 16)CuT Tm + T( x') 2( y') 2( z&#

12、39;) 2 = ffT Tm T( T ( Tm T) )Tm T T Tm + T2T經整理得:x t't't't'( u f )1 =2 = ( x') 22 =y2 = ( y') 2t't'uT Tm + T3 =z2 = ( z') 2( 17)( 9)其實， ， ， ( Fourier 準則) 為同一準，x，123 t =x ( x ) + y ( y ) + z ( z )( 10)y 都表示距離，用 l 表示 即:1 T T T T式中: = / C 為整個求解區域內土體的導溫系數， 在數值上等于導熱系數

13、與體積熱容之比; T 為土 體劇烈相變區溫度區間長度的二分之一最后可得:F0 = C Ct t( 18)l2可以證明式( 10 ) 包涵了移動界面處的溫度連( Cl )2 = 1( 19)續條件和能量守恒條件式中: l 為幾何尺寸; t 為時間872冰川凍土36 卷1 2 2邊界條件及初始條件的相似推導本室內試驗有兩種邊界: 一種是溫度邊界條 件; 另一種是風速邊界條件 根據具體情況，試驗 選用風速邊界的相似常數 C v = 1 由式( 5 ) 、( 6 ) 、 ( 7) 推導出溫度邊界及初始條件的相似常數分別 式通風管的走向一致 觀測系統由熱敏電阻溫度傳 感器( 精度 ± 0 05

14、 ) 、風速探頭、C3000 數采儀 及計 算 機 組 成，數據采集頻率為每 30 min 采 集 1 次2 2 試驗條件0為: C T = 1，C T= 1根據前面推導的 C t = 24，確定本次試驗的一個1 2 3模型參數的確定首先確定時間相似常數，青藏公路多年凍土區 一般從 9 10 月份開始凍結，到翌年的 4 月份開始 融化，凍結時間一般在 7 個月左右，凍結時間與融 化時間之比約為 1 4 根據青藏高原北麓河一帶的 氣候特點，同時考慮附面層溫度增量16，模型試驗 的上邊界條件采用周期性波動的溫度，其變化函 數為:周期為 15 d( 凍結期 8 9 d，213 6 h; 融化期 6

15、1 d， 146 4 h) ，平均溫度 3 5 ，這相當于現場時間 的 1 a，主要是考慮野外凍結期長，融化期短的實際 情況 試驗過程 從 負 溫 開 始，然后向正溫進行， 每隔 12 h 調一次溫度，調溫曲線如圖 2 所示，路 基模型周邊及底部為隔熱邊界，試 驗 平 均 風 速 2 5 m·s 1 2 3試驗模型()T = 3 5 + 12 sin 2 15( 20)根據前面推導的 Cl 和現場一般公路路基模型( 高度 5 m 左右，坡度 1 1 5) 來確定試驗模型的幾在每個試驗周期內凍結時間與融化時間的比值為 1 45，與實際情況很相近 從而可以確定時間相 似常數 C t ，在

16、試驗路基填土與現場相似的情況下 ( C ) ，由式( 19) 可得 C l 2 試驗方法2 1 試驗設備試驗設備由 4 部分組成: 模型試驗箱、控溫系 統、通風系統和觀測系統，見圖 1 所示 模型試驗 箱為 8 m × 1 84 m × 2 7 m 的保溫箱，箱體采用 10 cm厚的冷庫保溫板，路基模型位于其中 為提 高箱體抗側向和垂向擠壓的能力，在箱體外圍用槽 鋼進行了加固處理 控溫系統由 7 5 kW 的 SANYO 雙頭壓縮機組、電腦溫控器( 分辨率 0 1 ，精度± 0 3 ) 、氟利昂液體循環的管道、蒸發器及溫度 傳感器組成 控溫過程經人工設定后，由電腦

17、溫控 器自動控制，系統控溫范圍為 60 50 通風 系統由冷卻風扇、加速風機、風速調節裝置、回流 風道等組成 風向平行于箱體的長度方向，與透壁圖 1 模型試驗箱Fig 1 The model's chamber何尺寸 考慮到尺寸效應尤其是小的路基更容易受邊界層的影響，在試驗設計中特別將高度的相似比 放大一 倍 ( 即 Cl ) 因 此，確定路基模型底部寬 500 cm，頂部 寬 260 cm，路 基 長 度 92 cm，高 度180 cm 通風管共 2 根，長 360 cm，內徑 10 0 cm， 外徑 11 8 cm，位于塊石層中部，塊石層厚 80 cm 為便于后期對比分析，對復合路

18、基模型及塊石路基 模型溫度、風速的變化均進行監測，整個模型及測 點布設如圖 3 所示圖 2 試驗溫度變化曲線Fig 2 The test temperature curve圖 3 試驗路基模型及監測點Fig 3 The test model along with the monitoring point allocation4 期劉 戈等: 透壁式通風管-塊石復合氣冷路基室內模型試驗研究873表 1 路基填土的熱學參數Table 1 Thermal parameters of the filled earthC u / ( J·m 3 · 1 )C f / ( J·

19、;m 3 · 1 )u / ( W·m 1 · 1 )f / ( W·m 1 · 1 )L / ( J·m 3 )2 231 × 061 856 × 1061 481 712 231 × 106注: C、 分別為體積熱容和導熱系數; 下標 u、f 分別表示非凍結狀態和凍結狀態; L 為相變潛熱2 4試驗材料2 4 1路基填土路基填土采用防凍脹的砂礫，其顆粒級配良 好，不均勻系數 C u 5，粒徑 2 mm 的顆粒含量在 35% 42% 間，壓實后的含水率為 8 6% ，密度為2 02 g·cm

20、3 ，干密度為 1 86 g·cm 3 路基填土 的熱學參數見表 1 所示2 4 2塊石路基所用塊石為花崗巖，粒徑 10 25 cm，主 要集中在 20 cm 附近，孔隙率約 40% 2 4 3透壁通風管通 風 管 采 用 PVC 管， 內 徑 為 10 cm， 長 380 cm，位 于 路 基 塊 石 層 中 部，管 間 距 為 2 倍 管徑3模型試驗結果分析3 1塊石層內的空氣流速氣冷路基對多年凍土的冷卻效果主要來源于塊 石層及通風管內的空氣對流換熱，因此，將單一塊 石路基模型和通風管-塊石復合路基模型的塊石孔 隙間風速變化曲線進行了對比分析，如圖 4 所示 圖 4 中表明，在單

21、一塊石路基模型中，塊石層內部 空氣流速約 0 25 m·s 1 ，通風管-塊石復合路基模 型中，管道內部風速約 2 3 m·s 1 ，在管道的疏導 及強化作用下，塊石層內風速為 0 3 m·s 1 ，比單 純塊石層內空氣流速提高約 20% 表明在通風管 的疏導作用下，塊石層孔隙中的空氣流動得到了明 顯加強，塊石-通風管復合路基能夠起到強化路基 體對流的效果 實際應用路段一般地處高原地區， 低溫期長且風速較大，這種強化對流作用效果將會 更加顯著3 2模型底部溫度模型底部的溫度對保護凍土路基的穩定十分關 鍵，圖 5 為單一塊石路基與通風管-塊石路基模型 底部溫度變化對

22、比狀況 圖 5 中表明，在塊石層冷 卻效果的作用下，單一塊石路基模型底部溫度在第 一個試驗周期后降低至 0 ，之后兩個周期分別降 低至 1 3 和 1 5 在通風管-塊石復合路圖 4 塊石孔隙間風速Fig 4 Variation of wind velocity through the crushed rocks圖 5 模型底部溫度變化曲線Fig 5 The temperature curve at the bottom of the model模型底部，溫度降低更為明顯，第三周期最低溫度 已降至 3 3 ，該溫度是同期單一塊石路基模型 的 2 2 倍，表明通風管-塊石復合路基能更有效的 冷卻

23、多年凍土層，增加路基的熱穩定性3 3 模型整體溫度場圖 6 為通風管-塊石復合路基在三個凍融周期 中溫度場的變化圖，從圖中可以看出隨著凍融周期 的增加，路基凍結深度逐漸增加，融化期的凍結核 范圍逐漸擴展且溫度趨于降低 圖 6 ( a) 圖中最低 溫度時路基凍深發展至底板上 30 40 cm 處，圖 6 ( b) 圖中最低溫度時路基凍深已發展至底板上 10 30 cm 處，圖 6( c) 圖中最低溫度時路基凍深發展至 底板上 10 25 cm 處，且底板處左側部分區域已經 完全凍結 表明透壁式通風管與塊石復合路基能夠 起到儲存冷量、降低下伏土體地溫的作用 此外， 從三個凍融循環總體上分析，由于透

24、壁式通風管對 塊石層孔隙中空氣流動的促進，塊石層中左右側的874冰川凍土36 卷圖 6 模型溫度場分布Fig 6 Model's temperature fields after the first cycle ( a) ，second cycle ( b) and the third cycle ( c)溫度差異導致了路基溫度場的不對稱，這主要是試 驗風向為自右向左，但這種溫度狀況反過來也說明 了通風管對塊石層具有良好的強化對流效果4 結語本文通過室內試驗對通風管-塊石復合路基的 作用機理及降溫效果進行了模擬分析，得出如下幾 點結論:( 1) 單一塊石路基模型在風速接近 4 m &#

25、183; s 1 的條件下，塊石層孔隙中空氣流速為 0 25 m·s 1 ， 在復合路基模型試驗中，管道內部風速約 2 3 m· s 1 ，在管道的疏導及強化作用下，塊石層內風速達 到 0 3 m·s 1 ，高于單一塊石層內空氣流速，表明 復合路基降溫效果優于單一塊石路基( 2) 模型試驗是在底板和側向都為隔熱邊界的 條件下進行的，這與現場實際情況有些差異 但從 試驗結果來看，經多次凍融循環后，通風管-塊石復 合路基對其下凍土可以起到保護甚至主動降溫的作 用，可作為今后工程中一種有效保護凍土的路基結 構形式( 3) 路堤環境溫度的不均勻、風速的不均勻和 通風管及塊

26、石中溫度分布的不均勻，使路堤土體的 溫度場呈不對稱分布的特征，這在實際應用中還需 特別注意參考文獻( eferences) :1 Liu Yongzhi，Wu Qingbai，Zhang Jianming，et al Deformation of highway roadbed in permafrost regions of the Tibetan PlateauJ Journal of Glaciology and Geocryology，2002，24( 1) : 10 15 劉永智，吳青柏，張建明，等 青藏高原多年凍土地 區公路路基變形J 冰川凍土，2002，24( 1) : 10 1

27、52 Su Kai，Zhang Jianming，Liu Shiwei，et al Compressibility ofwarm and ice-rich frozen soilJ Journal of Glaciology and Geocryology，2013，35( 2) : 369 375 蘇凱，張建明，劉世 偉，等 高溫-高含冰量凍土壓縮變形特性研 究J 冰川凍 土，2013，35( 2) : 369 3753 Liu Shiwei，Zhang Jianming eview on physic-mechanical pro- perties of warm frozen soilJ

28、 Journal of Glaciology and Geo- cryology，2012，34( 1) : 120 129 劉世偉，張建明 高溫凍 土物理力學特性研究現狀J 冰川凍土，2012，34 ( 1 ) : 120 1294 Zhang Lianhai，M a Wei，Yang Chengsong，et al A review and prospect of the thermodynamics of soils subjected to freezing andthawingJ Journal of Glaciology and Geocryology，2013，35 ( 6) :

29、 1505 1518 張蓮海，馬巍，楊成松，等 土在凍結及 融化過程的力學研究現狀與展望J 冰川凍土，2013，35 ( 6) : 1505 15185 Luo Dongliang，Jin Huijun，Lin Lin，et al Degradation of per-mafrost and cold environments on the interior and eastern Qinghai PlateauJ Journal of Glaciology and Geocryology，2012，34 ( 3) : 538 546 羅棟梁，金會軍，林琳，等 青海高原中、 東部多年凍土及寒區

30、環境退化J 冰川凍土，2012，34 ( 3 ) : 538 5466 Lai Y M ，Guo H X，Dong Y H Laboratory investigation on the cooling effect of the embankment with L-shaped thermosyphon and crushed rock revetment in permafrost regionsJ Cold e- gions Science and Technology，2009，58( 3) : 143 1504 期劉 戈等: 透壁式通風管-塊石復合氣冷路基室內模型試驗研究8757 Z

31、hang M Y，Lai Y M ，Dong Y H Numerical study on tempera- ture characteristics of expressway embankment with crushed rock revetment and ventilated ducts in warm permafrost regionsJ Cold egions Science and Technology，2009，59( 1) : 19 248 Cheng G D，Sun Z Z，Niu F J Application of the roadbed cool- ing app

32、roach in Qinghai-Tibet ailway engineeringJ Cold egions Science and Technology，2008，53( 3) : 241 2589 Mu Yanhu，Li Guoyu，Yu Qihao，et al Numerical simulationof heat transfer processes of cone-cylinder pipe and cooling effects of thermosyphon along the Qinghai-Tibet DC Interconnec- tion ProjectJ Journal

33、 of Glaciology and Geocryology，2014， 36( 1) : 106 117 穆彥虎，李國玉，俞祁浩，等 熱管措施 下錐柱式樁基礎傳熱過程及降溫效果預測研究J 冰川凍 土，2014，36( 1) : 106 11710 Yu Qihao，Qian Jin，You Yanhui，et al Experimental study ofconvective characteristics of block-stone embankmentJ Jour- nal of Glaciology and Geocryology，2012，34 ( 2 ) : 411 417俞祁

34、浩，錢 進，游艷輝，等 塊石路基對流特性實驗研究 J 冰川凍土，2012，34( 2) : 411 41711 Niu Fujun，M a Wei，Lai Yuanming Preliminary analysis on en- gineering effect of ventilation embankment at Beiluhe testing sec- tion of Qinghai-Tibet ailwayJ Chinese Journal of ock Me- chanics and Engineering，2003，22 ( S2 ) : 2652 2658 牛 富 俊，馬巍，賴

35、遠明 青藏鐵路北麓河試驗段通風管路基工程 效果初步分析J 巖石力學與工程學報，2003，22 ( S2 ) : 2652 265812 Yu Wenbing，Lai Yuanming，Zhang Xuefu，et al Laboratoryexperiment study on the ballast and ventilated railway embank-ment in permafrost regionsJ Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25( 4 ) : 436 440 喻文兵，賴遠明，張 學富，等 多年凍土區道碴、

36、通風管結構鐵路路基室內試驗 研究J 巖土工程學報，2003，25( 4) : 436 44013 Hu Mingjian，Wang en，Ge Xiurun，et al An experimentalstudy on cooling effect of the perforated ventilation pipes on Qinghai-Tibet ailway roadbedJ Chinese Journal of ock Mechanics and Engineering，2004，23 ( 24 ) : 4195 4199 胡 明鑒，汪稔，葛修潤，等 透壁通風管對青藏鐵路路基的冷卻 效

37、果試驗初探J 巖石力學與工程學報，2004，23 ( 24 ) : 4195 419914 Zhang Jinzhao，Sun Binxiang，Liu Qi，et al Laboratory investi-gation on water evaporative cooling effect in embankment with perforated ventilation pipeJ ock and Soil Mechanics，2011， 32( 6) : 1813 1818 章金釗，孫斌祥，劉琦，等 透壁通風 管路堤土體蒸發降溫的試驗研究J 巖土力學，2011，32 ( 6) : 18

38、13 181815 Zhang Kun，Li Dongqing，Tong Gangqiang Numerical analysis of the cooling effect of an embankment with ventilated ducts and closed block stonesJ Journal of China University of Mining Technology，2011，40( 1) : 35 42 張坤，李東慶，童剛強 通風管-塊石復合路基降溫效果的數值分析J 中國礦業大 學學報，2011，40( 1) : 35 4216 Zhu Linnan Stud

39、y of the adherent layer on different types of ground in permafrost regions on the Qinghai-Xizang PlateauJ Journal of Glaciology and Geocryology，1988，10 ( 1 ) : 8 14朱林楠 高原凍土區不同下墊面的附面層研究J 冰川凍 土，1988，10( 1) : 8 14Model test study of the cooling effect of the embankment composited with ventilated duct and crushed rockLIU Ge1 ， YUAN Kun1，2 ， LI Jinping1 ， MU Ke1( 1 CCCC First Highway Consultants Co ，Ltd，Xi'an 710075，China; 2 State Key Laborat