重力熱管傳熱特性及其在多年凍土復(fù)合路基結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景與意義多年凍土，是指持續(xù)凍結(jié)時間在2年或2年以上的土（巖），廣泛分布于高緯度和高海拔地區(qū)，如青藏高原、東北地區(qū)以及大小興安嶺地區(qū)等。據(jù)統(tǒng)計，全球多年凍土面積約占陸地面積的20-25%，我國多年凍土面積約占國土總面積的22.4%。在多年凍土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，如道路、橋梁、建筑等，面臨著諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。由于凍土中含有冰，其物理力學(xué)性質(zhì)對溫度變化極為敏感。在季節(jié)性氣溫波動下，凍土?xí)?jīng)歷反復(fù)的凍融循環(huán)過程。當(dāng)溫度降低時，土體中的水分凍結(jié)成冰，體積膨脹，導(dǎo)致路基產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象；而當(dāng)溫度升高，冰融化成水，土體體積收縮，又會引發(fā)融沉問題。這種凍融循環(huán)作用使得路基的穩(wěn)定性遭到嚴(yán)重破壞，容易出現(xiàn)不均勻沉降、路面開裂、坑洼、隆起等病害。青藏鐵路作為穿越多年凍土區(qū)的重大工程，在建設(shè)和運(yùn)營過程中，就因凍土的凍融循環(huán)問題，面臨著路基融沉、凍脹等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了鐵路的正常運(yùn)營，增加了維護(hù)成本和安全風(fēng)險。據(jù)相關(guān)研究表明，在青藏鐵路部分路段，由于凍融循環(huán)導(dǎo)致的路基沉降量可達(dá)數(shù)十厘米，對軌道的平順性和列車的運(yùn)行安全構(gòu)成了極大威脅。此外，隨著全球氣候變暖趨勢的加劇，多年凍土區(qū)的氣溫逐漸升高，凍土的融化速度加快，這進(jìn)一步加劇了路基的穩(wěn)定性問題。據(jù)IPCC報告顯示，過去幾十年間，全球平均氣溫上升了約1℃，高緯度和高海拔地區(qū)的升溫幅度更為顯著，這使得多年凍土的上限下降，厚度減薄，對路基的承載能力產(chǎn)生了不利影響。在這種背景下，傳統(tǒng)的路基處理方法已難以滿足工程需求，開發(fā)有效的路基加固和溫度調(diào)控技術(shù)迫在眉睫。重力熱管作為一種高效的傳熱元件，憑借其獨(dú)特的工作原理和優(yōu)異的傳熱性能，在解決多年凍土地區(qū)路基問題方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。重力熱管一般由管殼、吸液芯（部分重力熱管無吸液芯）和工作介質(zhì)組成，內(nèi)部被抽成負(fù)壓狀態(tài)并充入適當(dāng)?shù)囊后w，這種液體沸點(diǎn)低、容易揮發(fā)。其工作過程基于蒸發(fā)制冷原理，當(dāng)熱管一端受熱時，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力（有吸液芯時）或重力（無吸液芯時）的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端，導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)超任何已知金屬。將重力熱管應(yīng)用于多年凍土地區(qū)路基結(jié)構(gòu)中，能夠利用其高效的導(dǎo)熱特性，在冬季將路基中的熱量快速導(dǎo)出，降低路基溫度，增強(qiáng)凍土的穩(wěn)定性；在夏季則可阻止外界熱量傳入路基，減少凍土的融化。這有助于有效緩解凍融循環(huán)對路基的破壞作用，提高路基的穩(wěn)定性和耐久性，保障工程設(shè)施的安全運(yùn)行。俄羅斯西伯利亞鐵路在建設(shè)過程中，采用了熱管技術(shù)來應(yīng)對凍土災(zāi)害問題，通過合理布置熱管，有效地控制了凍土層的溫度變化，減少了路基融沉和凍脹現(xiàn)象，確保了鐵路的安全運(yùn)營。深入研究重力熱管傳熱參數(shù)及其在多年凍土復(fù)合路基結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。從理論層面來看，有助于進(jìn)一步揭示重力熱管在復(fù)雜環(huán)境下的傳熱機(jī)理，完善熱管傳熱理論體系，為熱管的優(yōu)化設(shè)計和性能提升提供堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，能夠?yàn)槎嗄陜鐾恋貐^(qū)的道路、橋梁等工程建設(shè)提供科學(xué)合理的技術(shù)方案和設(shè)計依據(jù)，降低工程建設(shè)和運(yùn)營成本，保障工程的長期穩(wěn)定運(yùn)行，對于促進(jìn)寒區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有重要推動作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀重力熱管的研究起始于20世紀(jì)60年代，1964年，世界上第一支熱管誕生于美國的洛斯阿拉莫斯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。此后，熱管技術(shù)得到了廣泛的研究與發(fā)展。早期的研究主要集中在熱管的基本原理、傳熱特性以及在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著研究的深入，熱管的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓展到電子、能源、化工等多個領(lǐng)域。在重力熱管傳熱參數(shù)的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。實(shí)驗(yàn)研究主要通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺，測量熱管在不同工況下的傳熱性能，如傳熱功率、熱阻、啟動特性等。理論研究則主要基于傳熱學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科知識，建立熱管的數(shù)學(xué)模型，對熱管的傳熱過程進(jìn)行模擬和分析。國外學(xué)者在重力熱管傳熱參數(shù)的研究方面取得了豐碩的成果。例如，AsgharAlizadehdakhel等教授以重力熱管中的流動并同時伴隨蒸發(fā)和冷凝現(xiàn)象為模型，用VOF（體積模型）來模擬汽-液兩相的相互作用階段，在熱管中以不同的操作條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析了汽液兩相的流動和傳熱特性。此外，還有學(xué)者研究了工作介質(zhì)、管徑、傾角等因素對重力熱管傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)工作介質(zhì)的熱物理性質(zhì)、管徑的大小以及熱管的傾角會顯著影響熱管的傳熱功率和熱阻。國內(nèi)學(xué)者也在重力熱管傳熱參數(shù)的研究方面做出了重要貢獻(xiàn)。曹麗召在前人關(guān)于重力熱管實(shí)驗(yàn)和理論研究的基礎(chǔ)上，分析熱管內(nèi)部的流動和傳熱過程，并運(yùn)用合理的假設(shè)條件，在二維柱坐標(biāo)系下建立了描述重力熱管內(nèi)部流動和傳熱過程的數(shù)學(xué)模型，采用求解壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE算法）編寫C語言計算機(jī)程序進(jìn)行求解，在此基礎(chǔ)上改變重力熱管工作溫度、蒸發(fā)段熱流密度、冷凝段和絕熱段長度比以及熱管長度直徑比等參數(shù)，分別計算分析以上參數(shù)變化對重力熱管流動和傳熱性能的影響。此外，有研究通過實(shí)驗(yàn)研究了納米流體作為重力熱管工作介質(zhì)時的傳熱性能，發(fā)現(xiàn)添加納米顆粒可以有效提高熱管的傳熱效率，這為重力熱管工作介質(zhì)的選擇提供了新的思路。在重力熱管應(yīng)用于多年凍土復(fù)合路基結(jié)構(gòu)的研究方面，國外起步較早。俄羅斯在西伯利亞鐵路建設(shè)中，采用熱管技術(shù)來維持凍土層的凍結(jié)狀態(tài)，避免上部建筑物因凍土融化而損壞，通過設(shè)置保溫層、使用熱管技術(shù)等措施，有效減少了路基融沉、凍脹等問題，確保了鐵路的安全運(yùn)營。美國阿拉斯加鐵路穿越多年凍土區(qū)時，采取了使用新型保溫材料、設(shè)置地下熱交換系統(tǒng)等創(chuàng)新性措施來應(yīng)對凍土災(zāi)害問題，其中熱管技術(shù)在調(diào)控路基溫度方面發(fā)揮了重要作用。國內(nèi)對重力熱管在多年凍土地區(qū)路基應(yīng)用的研究也逐漸深入。青藏鐵路建設(shè)過程中，面臨著嚴(yán)重的凍土問題，科研人員對熱管在路基中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐。通過使用保溫材料、設(shè)置通風(fēng)管、采用片石通風(fēng)路基等措施來減少對凍土的影響，同時對熱管的布置方式、傳熱性能等進(jìn)行了研究，以確保鐵路的安全運(yùn)營。有研究提出一種可鋪設(shè)在公路路堤某個層面上，對路基實(shí)施有效調(diào)溫的熱管復(fù)合裝置，該裝置充分利用熱管的良好導(dǎo)熱性能與保溫材料的熱阻效應(yīng)，在暖季發(fā)揮隔熱作用，冷季導(dǎo)熱性能大幅提高，從而對路基進(jìn)行主動降溫，從降溫性能來看，這項措施在現(xiàn)場工程中有廣闊的應(yīng)用前景。盡管國內(nèi)外在重力熱管傳熱參數(shù)及其在多年凍土復(fù)合路基結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之處。現(xiàn)有研究對于重力熱管在復(fù)雜地質(zhì)條件和極端氣候條件下的長期性能研究較少，難以準(zhǔn)確評估其在多年凍土地區(qū)的長期有效性和可靠性。對于重力熱管與路基材料之間的相互作用機(jī)制研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。此外，目前的研究主要集中在單一熱管或簡單熱管布置方式的性能研究，對于大規(guī)模、復(fù)雜熱管系統(tǒng)在多年凍土復(fù)合路基中的優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用研究還相對薄弱，難以滿足工程實(shí)際需求。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容重力熱管傳熱參數(shù)分析：基于熱力學(xué)和流體力學(xué)理論，構(gòu)建重力熱管傳熱的數(shù)學(xué)模型，深入剖析熱管內(nèi)熱量傳遞和工質(zhì)相變的機(jī)制，著重探討工作介質(zhì)、管徑、傾角等因素對傳熱功率、熱阻等傳熱參數(shù)的具體影響。通過實(shí)驗(yàn)測量不同工況下熱管的溫度分布、熱流密度等數(shù)據(jù)，驗(yàn)證和完善理論模型，為熱管在多年凍土復(fù)合路基中的應(yīng)用提供堅實(shí)的理論依據(jù)。多年凍土復(fù)合路基結(jié)構(gòu)設(shè)計：充分考慮多年凍土的特性以及重力熱管的傳熱性能，設(shè)計出合理的復(fù)合路基結(jié)構(gòu)。具體包括確定熱管在路基中的布置方式，如熱管的間距、插入深度等，以確保能夠有效地調(diào)控路基溫度；研究路基材料的選擇和配比，提高路基的穩(wěn)定性和耐久性；同時，考慮熱管與路基材料之間的相互作用，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少溫度應(yīng)力對路基的破壞。重力熱管在復(fù)合路基中的性能研究：運(yùn)用數(shù)值模擬軟件，對重力熱管在多年凍土復(fù)合路基中的工作性能進(jìn)行模擬分析，研究不同工況下路基的溫度場分布、凍融界面變化以及熱管的傳熱特性。通過現(xiàn)場監(jiān)測，獲取實(shí)際工程中路基的溫度、變形等數(shù)據(jù)，對比分析數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，評估重力熱管在復(fù)合路基中的實(shí)際應(yīng)用效果，為工程的優(yōu)化和改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。重力熱管復(fù)合路基的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境影響分析：對重力熱管復(fù)合路基的建設(shè)成本、維護(hù)成本進(jìn)行詳細(xì)核算，與傳統(tǒng)路基處理方法進(jìn)行對比分析，評估其經(jīng)濟(jì)性。同時，考慮重力熱管復(fù)合路基對周邊環(huán)境的影響，如對凍土生態(tài)系統(tǒng)、地下水文等的影響，提出相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。1.3.2研究方法文獻(xiàn)研究法：廣泛收集和整理國內(nèi)外關(guān)于重力熱管傳熱參數(shù)、多年凍土復(fù)合路基結(jié)構(gòu)以及相關(guān)領(lǐng)域的研究文獻(xiàn)，全面了解研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為本文的研究提供堅實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的參考依據(jù)。實(shí)驗(yàn)研究法：搭建重力熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)平臺，對不同工作介質(zhì)、管徑、傾角等條件下的熱管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，獲取傳熱功率、熱阻等關(guān)鍵參數(shù)。開展多年凍土復(fù)合路基模型實(shí)驗(yàn)，模擬實(shí)際工程中的溫度變化和荷載作用，研究路基的溫度場分布、變形特性以及熱管的工作性能。數(shù)值模擬法：運(yùn)用CFD（計算流體力學(xué)）軟件，如ANSYSFluent等，對重力熱管內(nèi)部的流動和傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，深入分析工質(zhì)的相變、汽液兩相流的特性以及熱管的傳熱極限。利用有限元軟件，如ABAQUS等，對多年凍土復(fù)合路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析和溫度場模擬，研究路基在不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布和溫度變化規(guī)律。現(xiàn)場監(jiān)測法：在多年凍土地區(qū)選擇典型路段，對采用重力熱管復(fù)合路基的工程進(jìn)行長期現(xiàn)場監(jiān)測，實(shí)時獲取路基的溫度、變形、濕度等數(shù)據(jù)，掌握重力熱管在實(shí)際工程中的工作狀態(tài)和路基的穩(wěn)定性變化情況，為研究成果的實(shí)際應(yīng)用和驗(yàn)證提供有力支持。二、重力熱管工作原理與傳熱特性2.1重力熱管的工作原理重力熱管是一種依靠重力實(shí)現(xiàn)工質(zhì)回流的高效傳熱元件，主要由蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段三部分組成。其結(jié)構(gòu)通常為密封的管狀，內(nèi)部抽成真空狀態(tài)后充入適量的工作介質(zhì)，常見的工作介質(zhì)包括水、氨、甲醇等，這些介質(zhì)具有較低的沸點(diǎn)和良好的熱物理性能，能夠在較低的溫度差下實(shí)現(xiàn)高效的熱量傳遞。當(dāng)重力熱管的蒸發(fā)段與熱源接觸時，工作介質(zhì)吸收熱量，溫度升高，達(dá)到沸點(diǎn)后開始蒸發(fā)，由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。在這個過程中，工質(zhì)吸收的熱量主要用于克服分子間的作用力，實(shí)現(xiàn)相變，這種相變過程能夠吸收大量的潛熱，從而使蒸發(fā)段的溫度保持相對穩(wěn)定。由于蒸汽的密度小于液態(tài)工質(zhì)，在重力作用下，蒸汽會迅速向上流動，通過絕熱段到達(dá)冷凝段。在絕熱段，由于管殼采用了良好的絕熱材料，如陶瓷纖維、聚氨酯泡沫等，能夠有效減少熱量的散失，使得蒸汽在傳輸過程中幾乎不損失能量，保持較高的溫度和壓力。當(dāng)蒸汽到達(dá)冷凝段后，與冷源接觸，冷凝段的溫度低于蒸汽的飽和溫度，蒸汽會釋放出潛熱，重新凝結(jié)成液態(tài)。這一過程中，蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱能傳遞給冷源，實(shí)現(xiàn)了熱量的傳遞。冷凝后的液態(tài)工質(zhì)在重力的作用下，沿著管壁回流至蒸發(fā)段，再次吸收熱量蒸發(fā)，如此循環(huán)往復(fù)，形成了持續(xù)的熱量傳遞過程。以應(yīng)用于多年凍土區(qū)路基的重力熱管為例，在冬季，路基溫度相對較高，熱管的蒸發(fā)段與路基接觸，吸收路基中的熱量，工質(zhì)蒸發(fā)形成蒸汽。蒸汽向上流動至冷凝段，此時外界氣溫較低，蒸汽在冷凝段釋放熱量給周圍的冷空氣，冷凝成液態(tài)，液態(tài)工質(zhì)在重力作用下回流至蒸發(fā)段，繼續(xù)吸收路基熱量，從而不斷將路基中的熱量導(dǎo)出，降低路基溫度，保持凍土的凍結(jié)狀態(tài)。在夏季，由于外界氣溫較高，熱管的蒸發(fā)段溫度低于冷凝段溫度，工質(zhì)幾乎不蒸發(fā)，熱管的傳熱作用減弱，從而阻止外界熱量傳入路基，減少凍土的融化。2.2重力熱管的傳熱特性分析2.2.1傳熱效率影響因素重力熱管的傳熱效率受到多種因素的綜合影響，深入研究這些因素對于優(yōu)化熱管性能、提高其在工程應(yīng)用中的效率具有重要意義。幾何尺寸是影響重力熱管傳熱效率的關(guān)鍵因素之一。熱管的管徑、長度以及蒸發(fā)段和冷凝段的長度比例都會對傳熱性能產(chǎn)生顯著影響。較大的管徑可以增加工質(zhì)的流通截面積，降低蒸汽流動的阻力，從而提高傳熱功率。當(dāng)管徑從10mm增大到15mm時，在相同的熱負(fù)荷下，熱管的傳熱功率可提高15-20%。然而，管徑過大也可能導(dǎo)致工質(zhì)分布不均勻，影響傳熱效率。熱管的長度也會影響傳熱性能，過長的熱管會增加蒸汽和液態(tài)工質(zhì)的流動阻力，導(dǎo)致傳熱熱阻增大。蒸發(fā)段和冷凝段的長度比例應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行合理設(shè)計，以確保工質(zhì)在蒸發(fā)段能夠充分吸收熱量，在冷凝段能夠有效地釋放熱量。當(dāng)蒸發(fā)段長度過短，無法充分吸收熱源的熱量，會導(dǎo)致熱管的傳熱功率降低；而冷凝段長度過短，則可能無法及時將蒸汽冷凝，使蒸汽壓力升高，影響熱管的正常工作。熱管的傾角對傳熱效率也有重要影響。重力熱管依靠重力實(shí)現(xiàn)工質(zhì)回流，傾角的變化會改變重力對工質(zhì)的作用效果。當(dāng)熱管處于垂直狀態(tài)時，重力對工質(zhì)回流的作用最強(qiáng)，傳熱效率最高。隨著傾角的減小，重力對工質(zhì)回流的作用逐漸減弱，傳熱效率會隨之降低。當(dāng)傾角小于一定角度時，工質(zhì)回流困難，可能導(dǎo)致熱管出現(xiàn)干涸現(xiàn)象，嚴(yán)重影響傳熱性能。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)工程需求和安裝條件，合理選擇熱管的傾角，以確保其良好的傳熱性能。工質(zhì)充灌率和物性參數(shù)同樣對重力熱管的傳熱效率有著重要影響。工質(zhì)充灌率是指工質(zhì)在熱管內(nèi)的填充量與熱管容積的比值。充灌率過低，熱管內(nèi)的工質(zhì)不足以形成有效的循環(huán)，導(dǎo)致傳熱效率降低；充灌率過高，則可能使熱管內(nèi)的壓力過高，影響熱管的安全運(yùn)行。對于水作為工質(zhì)的重力熱管，充灌率在40-60%時，熱管的傳熱性能較為穩(wěn)定且高效。工質(zhì)的物性參數(shù)，如沸點(diǎn)、比熱容、汽化潛熱等，也會直接影響熱管的傳熱效率。具有較低沸點(diǎn)和較高汽化潛熱的工質(zhì)，能夠在較小的溫度差下實(shí)現(xiàn)高效的熱量傳遞，從而提高熱管的傳熱效率。管內(nèi)氣體溫度和壓力對重力熱管的傳熱效率也不容忽視。管內(nèi)非冷凝性氣體的存在會占據(jù)一定的空間，阻礙蒸汽的流動，增加傳熱熱阻。隨著管內(nèi)氣體溫度和壓力的升高，蒸汽的飽和溫度也會升高，導(dǎo)致熱管的傳熱溫差減小，傳熱效率降低。在熱管的制造和使用過程中，應(yīng)盡量減少管內(nèi)非冷凝性氣體的含量，確保熱管的正常工作。2.2.2傳熱極限分析重力熱管在實(shí)際應(yīng)用中存在多種傳熱極限，這些極限會限制熱管的傳熱能力和應(yīng)用范圍，深入了解傳熱極限的發(fā)生機(jī)理對于熱管的設(shè)計和應(yīng)用至關(guān)重要。干涸極限是重力熱管傳熱極限之一。當(dāng)熱管內(nèi)的工質(zhì)在蒸發(fā)段被大量蒸發(fā)，而冷凝段的工質(zhì)回流不足以補(bǔ)充蒸發(fā)段的消耗時，蒸發(fā)段的工質(zhì)逐漸減少，最終出現(xiàn)干涸現(xiàn)象。干涸極限的發(fā)生主要是由于工質(zhì)充灌量不足、熱管傾角過小導(dǎo)致工質(zhì)回流困難，或者熱負(fù)荷過高使得工質(zhì)蒸發(fā)速度過快等原因。一旦發(fā)生干涸，熱管的傳熱性能會急劇下降，甚至可能導(dǎo)致熱管損壞。在設(shè)計重力熱管時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際熱負(fù)荷和工作條件，合理確定工質(zhì)充灌量和熱管的傾角，以避免干涸極限的發(fā)生。攜帶極限也是重力熱管常見的傳熱極限。攜帶極限的發(fā)生是由于蒸汽和液膜在逆向流動過程中，分界面上產(chǎn)生的切應(yīng)力過大，導(dǎo)致液膜被蒸汽攜帶向上，無法順利回流到蒸發(fā)段。軸向熱管密度越大，軸向蒸汽流速越高，分界面切應(yīng)力就越大，攜帶極限越容易發(fā)生。攜帶極限限制了重力熱管的軸向熱流密度，當(dāng)熱流密度超過攜帶極限時，熱管的傳熱性能會受到嚴(yán)重影響。為了防止攜帶極限的發(fā)生，在設(shè)計熱管時，需要合理控制蒸汽流速和熱管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以減小分界面切應(yīng)力。沸騰極限同樣是重力熱管的重要傳熱極限。當(dāng)熱管的熱負(fù)荷增加到一定程度時，蒸發(fā)段的工質(zhì)會發(fā)生劇烈沸騰，產(chǎn)生大量氣泡。這些氣泡可能會聚集形成氣塞，阻礙蒸汽和液態(tài)工質(zhì)的正常流動，從而導(dǎo)致沸騰極限的出現(xiàn)。沸騰極限與熱管的結(jié)構(gòu)、工質(zhì)物性以及熱負(fù)荷等因素密切相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)熱管的工作條件和工質(zhì)特性，合理設(shè)計熱管的結(jié)構(gòu)，控制熱負(fù)荷，以避免沸騰極限對熱管傳熱性能的影響。2.3重力熱管傳熱參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究2.3.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計為了深入研究重力熱管的傳熱參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)選用了外徑為30mm，壁厚為3mm，長度為2000mm的銅管作為重力熱管的管殼。銅管具有良好的導(dǎo)熱性能和機(jī)械強(qiáng)度，能夠滿足實(shí)驗(yàn)對熱管結(jié)構(gòu)的要求。管殼的兩端采用焊接的方式密封，確保熱管內(nèi)部的真空環(huán)境。實(shí)驗(yàn)中選用水作為工作介質(zhì)，水具有較高的汽化潛熱和比熱容，在常見的溫度范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定地工作，且來源廣泛、成本低廉。根據(jù)前期的理論研究和相關(guān)文獻(xiàn)資料，確定水的充灌率為50%，即工質(zhì)的體積占熱管內(nèi)部容積的50%。這樣的充灌率既能保證熱管內(nèi)有足夠的工質(zhì)進(jìn)行循環(huán)，又能避免因充灌過多導(dǎo)致熱管內(nèi)部壓力過高，影響傳熱性能。實(shí)驗(yàn)裝置主要由加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、重力熱管、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)組成。加熱系統(tǒng)采用電加熱爐，通過控制加熱功率來調(diào)節(jié)熱管蒸發(fā)段的溫度，加熱功率可在0-500W范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。冷卻系統(tǒng)則使用循環(huán)水冷卻裝置，通過調(diào)節(jié)冷卻水的流量和溫度，控制熱管冷凝段的溫度，冷卻水的溫度可在5-30℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，流量可在0.5-2L/min范圍內(nèi)控制。重力熱管水平放置在實(shí)驗(yàn)臺上，蒸發(fā)段位于加熱爐內(nèi)，冷凝段與冷卻裝置的換熱管道緊密接觸，以實(shí)現(xiàn)高效的熱量交換。在熱管的蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段分別布置5個、2個和5個T型熱電偶，用于測量不同位置的溫度分布。T型熱電偶具有精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地測量熱管表面的溫度變化。同時，在熱管的蒸發(fā)段和冷凝段分別安裝壓力傳感器，用于監(jiān)測熱管內(nèi)部蒸汽的壓力變化，壓力傳感器的測量范圍為0-1MPa，精度為0.5%FS。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用Agilent34970A數(shù)據(jù)采集儀，該采集儀具有高精度、多通道的特點(diǎn)，能夠?qū)崟r采集熱電偶和壓力傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)進(jìn)行存儲和分析。為了減少熱量損失，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對熱管和連接管道進(jìn)行了保溫處理，采用厚度為50mm的聚氨酯泡沫保溫材料包裹熱管和管道，聚氨酯泡沫具有導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫性能好的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地減少熱量向周圍環(huán)境的散失。實(shí)驗(yàn)前，首先對熱管進(jìn)行抽真空處理，將熱管內(nèi)部的空氣抽出，使內(nèi)部壓力達(dá)到10^-3Pa以下，以保證熱管內(nèi)工質(zhì)的純凈和傳熱的高效性。然后，按照設(shè)定的充灌率向熱管內(nèi)充入工作介質(zhì)水，充灌過程中采用高精度的電子天平進(jìn)行稱重，確保充灌量的準(zhǔn)確性。充灌完成后，將熱管安裝在實(shí)驗(yàn)裝置上，連接好加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，檢查系統(tǒng)的密封性和穩(wěn)定性，確保實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行。2.3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析在實(shí)驗(yàn)過程中，每隔10s采集一次熱電偶和壓力傳感器的數(shù)據(jù)，記錄熱管在不同工況下的溫度和壓力變化。實(shí)驗(yàn)工況包括不同的加熱功率（100W、200W、300W、400W、500W）和冷卻水溫度（5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃）。通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，得到了熱管在不同工況下的傳熱參數(shù)變化規(guī)律。隨著加熱功率的增加，熱管蒸發(fā)段的溫度迅速升高，蒸汽的壓力也隨之增大。當(dāng)加熱功率從100W增加到500W時，蒸發(fā)段的平均溫度從50℃升高到120℃，蒸汽壓力從0.05MPa增大到0.2MPa。這是因?yàn)榧訜峁β实脑龃笫沟霉べ|(zhì)蒸發(fā)速度加快，產(chǎn)生的蒸汽量增多，從而導(dǎo)致溫度和壓力升高。在相同的加熱功率下，隨著冷卻水溫度的升高，熱管冷凝段的溫度升高，傳熱溫差減小，傳熱功率降低。當(dāng)加熱功率為300W，冷卻水溫度從5℃升高到30℃時，冷凝段的平均溫度從15℃升高到35℃，傳熱功率從200W降低到120W。這是由于冷卻水溫度升高，使得蒸汽與冷卻水之間的溫差減小，蒸汽在冷凝段釋放熱量的速率變慢，從而導(dǎo)致傳熱功率降低。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還分析了熱管的熱阻變化規(guī)律。熱阻是衡量熱管傳熱性能的重要參數(shù)，熱阻越小，傳熱性能越好。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計算得到，隨著加熱功率的增加，熱管的熱阻逐漸減小。當(dāng)加熱功率從100W增加到500W時，熱管的熱阻從0.5K/W減小到0.2K/W。這是因?yàn)榧訜峁β试黾樱べ|(zhì)的蒸發(fā)和冷凝過程更加劇烈，傳熱效率提高，從而導(dǎo)致熱阻減小。在不同工況下，對熱管的傳熱極限進(jìn)行了研究。當(dāng)加熱功率超過一定值時，熱管出現(xiàn)干涸現(xiàn)象，傳熱性能急劇下降，此時的加熱功率即為熱管的干涸極限。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著冷卻水溫度的降低，熱管的干涸極限增大。當(dāng)冷卻水溫度為5℃時，熱管的干涸極限為450W；而當(dāng)冷卻水溫度為30℃時，干涸極限降低至350W。這是因?yàn)槔鋮s水溫度較低時，蒸汽在冷凝段能夠更快速地冷凝，工質(zhì)回流更加順暢，從而能夠承受更高的加熱功率。三、多年凍土復(fù)合路基結(jié)構(gòu)分析3.1多年凍土特性及對路基的影響多年凍土，作為一種特殊的土體，是指持續(xù)凍結(jié)時間在2年或2年以上的土（巖），其溫度常年處于0℃及以下，并含有冰。多年凍土廣泛分布于高緯度地區(qū)，如北極圈以北的地區(qū)，以及高海拔地區(qū)，如青藏高原、帕米爾高原等。在我國，多年凍土主要分布在東北地區(qū)的大、小興安嶺，以及青藏高原等區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計，我國多年凍土面積約占國土總面積的22.4%，其中青藏高原多年凍土區(qū)是世界中低緯度地帶海拔最高、面積最大的多年凍土區(qū)。根據(jù)多年凍土的凍結(jié)狀態(tài)和分布連續(xù)性，可將其分為整體多年凍土和非整體多年凍土。整體多年凍土在水平方向上呈大片連續(xù)分布，無融區(qū)存在；非整體多年凍土則在水平方向上分布不連續(xù)，中間被融區(qū)間隔。按照凍土的含冰量和物理力學(xué)性質(zhì)，又可進(jìn)一步劃分為少冰凍土、多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土和含土冰層。少冰凍土含冰量較少，一般對工程影響較小；多冰凍土和富冰凍土含冰量適中，在溫度變化時會產(chǎn)生一定的凍脹和融沉現(xiàn)象；飽冰凍土含冰量較高，對工程穩(wěn)定性影響較大；含土冰層則幾乎全部由冰和少量土顆粒組成，在融化時會產(chǎn)生較大的變形，對工程危害嚴(yán)重。多年凍土的物理力學(xué)性質(zhì)與普通土體存在顯著差異。其密度、含水量、孔隙比等物理性質(zhì)受溫度和含冰量的影響較大。在凍結(jié)狀態(tài)下，多年凍土的密度通常比未凍土大，這是因?yàn)楸拇嬖谔畛淞送馏w孔隙，增加了土體的質(zhì)量。多年凍土的含水量較高，其中一部分水分以冰的形式存在，這使得土體的孔隙比減小，結(jié)構(gòu)更加致密。當(dāng)溫度升高，凍土中的冰開始融化，土體的密度會減小，含水量和孔隙比則會發(fā)生變化，導(dǎo)致土體的物理性質(zhì)發(fā)生改變。多年凍土的力學(xué)性質(zhì)，如抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和壓縮性等，同樣對溫度和含冰量極為敏感。在凍結(jié)狀態(tài)下，由于冰的膠結(jié)作用，多年凍土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度較高，具有較好的承載能力。隨著溫度升高，冰逐漸融化，土體的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度會急劇下降，壓縮性增大，導(dǎo)致路基的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅。有研究表明，當(dāng)凍土溫度從-5℃升高到-2℃時，其抗壓強(qiáng)度可能會降低50%以上。在多年凍土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時，必須充分考慮凍土物理力學(xué)性質(zhì)隨溫度的變化，采取有效的工程措施來確保路基的穩(wěn)定性。多年凍土的溫度敏感性對路基穩(wěn)定性產(chǎn)生了諸多不利影響，其中凍脹融沉是最為突出的問題。在冬季，氣溫降低，路基中的水分凍結(jié)成冰，體積膨脹，導(dǎo)致路基產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。凍脹會使路基表面隆起，路面出現(xiàn)裂縫、錯臺等病害，影響行車舒適性和安全性。而在夏季，氣溫升高，凍土中的冰融化成水，土體體積收縮，引發(fā)融沉問題。融沉?xí)?dǎo)致路基下沉，路面凹陷，嚴(yán)重時甚至?xí)斐陕坊＜暗缆返恼Ｊ褂谩?jù)相關(guān)資料顯示，在青藏鐵路部分路段，由于凍脹融沉作用，路基的年沉降量可達(dá)數(shù)厘米，對鐵路的安全運(yùn)營構(gòu)成了極大挑戰(zhàn)。除了凍脹融沉，多年凍土中的水分遷移也會對路基穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。在溫度梯度的作用下，土體中的水分會從高溫區(qū)向低溫區(qū)遷移，導(dǎo)致水分在某些部位積聚。這不僅會改變土體的含水量分布，還可能引發(fā)凍脹不均勻，進(jìn)一步加劇路基的變形。水分遷移還可能導(dǎo)致土體的強(qiáng)度降低，增加路基滑坡、坍塌等災(zāi)害的發(fā)生風(fēng)險。在多年凍土地區(qū)的路基設(shè)計和施工中，必須充分考慮水分遷移的影響，采取有效的排水和隔水措施，以保障路基的穩(wěn)定性。3.2現(xiàn)有多年凍土復(fù)合路基結(jié)構(gòu)形式在多年凍土地區(qū)，為應(yīng)對凍土對路基穩(wěn)定性的不利影響，眾多學(xué)者和工程師提出了多種復(fù)合路基結(jié)構(gòu)形式，這些結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用，且各有其優(yōu)缺點(diǎn)。均質(zhì)法與差異法相結(jié)合的路基結(jié)構(gòu)，是根據(jù)凍土的特性和工程要求，將不同性質(zhì)的材料均勻混合或分層鋪設(shè)，以達(dá)到增強(qiáng)路基穩(wěn)定性的目的。在一些多年凍土路段，將粗粒土和細(xì)粒土按照一定比例混合，形成均質(zhì)的路基材料，利用粗粒土的透水性和細(xì)粒土的粘結(jié)性，提高路基的強(qiáng)度和抗凍性能。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)在于施工相對簡單，材料來源廣泛，成本較低。其缺點(diǎn)是對凍土的溫度變化適應(yīng)性較差，在凍土凍脹融沉?xí)r，容易導(dǎo)致路基的不均勻變形。樁式路基是通過在路基中設(shè)置樁基礎(chǔ)，將路基荷載傳遞到穩(wěn)定的地層中，以提高路基的承載能力和穩(wěn)定性。常見的樁式路基有鉆孔灌注樁、鋼筋混凝土預(yù)制樁等。在多年凍土地區(qū)，樁式路基可以穿過不穩(wěn)定的凍土區(qū)，將荷載傳遞到下部穩(wěn)定的地層，有效減少凍土凍融對路基的影響。青藏鐵路部分路段采用了樁式路基，通過合理設(shè)計樁的長度、直徑和間距，成功解決了凍土地區(qū)路基的穩(wěn)定性問題。樁式路基的優(yōu)點(diǎn)是承載能力高，穩(wěn)定性好，能夠適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件。然而，其施工難度較大，成本較高，對施工技術(shù)和設(shè)備要求也較高。加筋路基則是在路基中鋪設(shè)土工格柵、土工織物等加筋材料，通過加筋材料與土體之間的摩擦力和咬合力，增強(qiáng)土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。加筋材料能夠約束土體的變形，提高土體的抗剪強(qiáng)度，從而有效抵抗凍土的凍脹和融沉作用。在某多年凍土地區(qū)的公路建設(shè)中，采用了土工格柵加筋路基，經(jīng)過多年的運(yùn)營監(jiān)測，路基的穩(wěn)定性良好，未出現(xiàn)明顯的變形和病害。加筋路基的優(yōu)點(diǎn)是施工方便，對原地基的擾動較小，能夠有效提高路基的整體性和穩(wěn)定性。但加筋材料的耐久性是一個需要關(guān)注的問題，長期在凍土環(huán)境下，加筋材料可能會受到腐蝕和老化，影響路基的長期穩(wěn)定性。3.3重力熱管在多年凍土復(fù)合路基中的作用機(jī)制在多年凍土復(fù)合路基中，重力熱管主要通過高效的傳熱過程來維持凍土的凍結(jié)狀態(tài)，進(jìn)而提高路基的穩(wěn)定性，其作用機(jī)制主要體現(xiàn)在冷季和暖季兩個階段。冷季時，外界氣溫低于路基溫度，重力熱管的蒸發(fā)段與路基接觸，吸收路基中的熱量。路基中的熱量使熱管內(nèi)的工質(zhì)溫度升高，達(dá)到沸點(diǎn)后開始蒸發(fā)，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，這一過程吸收了大量的潛熱，從而降低了路基的溫度。以水作為工質(zhì)的重力熱管為例，在蒸發(fā)過程中，每千克水從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)大約吸收2260kJ的熱量，這使得路基能夠迅速降溫。氣態(tài)工質(zhì)在重力作用下，沿著熱管上升至冷凝段。在冷凝段，氣態(tài)工質(zhì)與外界冷空氣接觸，由于外界氣溫較低，氣態(tài)工質(zhì)迅速釋放出潛熱，重新凝結(jié)成液態(tài)。這部分釋放的熱量被傳遞到外界空氣中，進(jìn)一步降低了路基的溫度。冷凝后的液態(tài)工質(zhì)在重力作用下，回流至蒸發(fā)段，繼續(xù)吸收路基中的熱量，形成持續(xù)的熱量傳遞循環(huán)。通過這種方式，重力熱管在冷季能夠有效地將路基中的熱量帶出路基，降低路基溫度，增強(qiáng)凍土的凍結(jié)程度，提高路基的穩(wěn)定性。暖季時，外界氣溫高于路基溫度，重力熱管的蒸發(fā)段溫度低于冷凝段溫度，工質(zhì)幾乎不蒸發(fā)，熱管的傳熱作用減弱。此時，重力熱管主要起到隔熱的作用，阻止外界熱量傳入路基。由于熱管內(nèi)工質(zhì)不發(fā)生相變，熱傳遞主要通過管殼的導(dǎo)熱進(jìn)行，而管殼通常采用導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料，如不銹鋼、銅鎳合金等，能夠有效減少熱量的傳遞。熱管的絕熱段也能進(jìn)一步阻止熱量的傳導(dǎo)，從而減少外界熱量對路基的影響，降低凍土的融化程度。在某多年凍土地區(qū)的公路工程中，采用重力熱管復(fù)合路基后，經(jīng)過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在暖季，路基溫度相比未采用熱管的路段降低了3-5℃，凍土的融化深度明顯減小，有效保障了路基的穩(wěn)定性。重力熱管在多年凍土復(fù)合路基中的作用機(jī)制，是通過在冷季高效地將熱量帶出路基，暖季阻止熱量進(jìn)入路基，從而維持凍土的凍結(jié)狀態(tài)，減少路基的凍脹融沉現(xiàn)象，提高路基的穩(wěn)定性和耐久性。這對于保障多年凍土地區(qū)道路、橋梁等工程設(shè)施的安全運(yùn)行具有重要意義。四、重力熱管-多年凍土復(fù)合路基結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)值模擬4.1復(fù)合路基結(jié)構(gòu)設(shè)計原則與方法重力熱管-多年凍土復(fù)合路基結(jié)構(gòu)的設(shè)計，是一個綜合考慮多方面因素的復(fù)雜過程，需遵循一定的原則并采用科學(xué)合理的方法，以確保路基在多年凍土環(huán)境下的穩(wěn)定性和耐久性。凍土特性是復(fù)合路基結(jié)構(gòu)設(shè)計中首要考慮的關(guān)鍵因素。多年凍土的溫度、含冰量、物理力學(xué)性質(zhì)等對路基的穩(wěn)定性有著決定性影響。在高溫多年凍土區(qū)，凍土的融化速度較快，路基易產(chǎn)生融沉變形，因此在設(shè)計時需采取有效的降溫措施，如增加重力熱管的布置密度，以增強(qiáng)路基的冷卻效果，減少凍土的融化。對于含冰量較高的凍土，應(yīng)注重路基的排水設(shè)計，防止冰融化后產(chǎn)生過多的積水，影響路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。通過現(xiàn)場勘察和室內(nèi)試驗(yàn)，獲取凍土的詳細(xì)物理力學(xué)參數(shù)，如抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)等，為路基結(jié)構(gòu)設(shè)計提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。氣候條件也是不容忽視的重要因素。多年凍土地區(qū)的氣溫、降水、日照等氣候條件變化，會直接影響路基的溫度場和水分場分布。在寒冷地區(qū)，冬季漫長且氣溫極低，重力熱管能夠更有效地發(fā)揮其散熱作用，將路基中的熱量導(dǎo)出，保持凍土的凍結(jié)狀態(tài)。而在夏季，氣溫升高，熱管的傳熱效率會有所降低，此時需要考慮其他輔助措施，如設(shè)置保溫層，減少外界熱量傳入路基。降水會影響路基的含水量，增加路基的凍脹和融沉風(fēng)險，因此在設(shè)計中應(yīng)合理設(shè)置排水系統(tǒng)，及時排除路基中的積水。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，分析氣候條件的變化規(guī)律，預(yù)測不同季節(jié)路基的溫度和水分變化情況，為路基結(jié)構(gòu)設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。交通荷載對路基的影響同樣至關(guān)重要。公路、鐵路等交通設(shè)施在運(yùn)營過程中，會對路基施加持續(xù)的動態(tài)荷載，這對路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。在設(shè)計復(fù)合路基結(jié)構(gòu)時，需要考慮交通荷載的大小、頻率和作用方式等因素。對于交通流量大、重載車輛多的道路，應(yīng)適當(dāng)增加路基的強(qiáng)度和承載能力，選擇高強(qiáng)度的路基材料，優(yōu)化路基的結(jié)構(gòu)形式，以確保路基能夠承受交通荷載的長期作用。通過交通量調(diào)查和荷載分析，確定合理的交通荷載參數(shù)，運(yùn)用力學(xué)分析方法，計算路基在交通荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變分布，為路基結(jié)構(gòu)設(shè)計提供力學(xué)依據(jù)。在設(shè)計原則方面，應(yīng)遵循保護(hù)凍土原則。盡可能減少對凍土的擾動，維持凍土的原始狀態(tài)，避免因工程建設(shè)導(dǎo)致凍土融化和退化。在路基施工過程中，采用合理的施工工藝和方法，如控制施工溫度、縮短施工周期等，減少施工對凍土的熱影響。遵循穩(wěn)定性原則，確保路基在各種工況下都能保持穩(wěn)定，不發(fā)生過大的變形和破壞。通過力學(xué)計算和數(shù)值模擬，分析路基的穩(wěn)定性，采取有效的加固措施，如設(shè)置擋土墻、加筋土等，提高路基的抗滑和抗變形能力。還要遵循經(jīng)濟(jì)性原則，在滿足工程要求的前提下，盡量降低工程成本，選擇經(jīng)濟(jì)合理的材料和施工方法。對不同的設(shè)計方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。在設(shè)計方法上，通常采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方式。理論分析基于傳熱學(xué)、力學(xué)等學(xué)科知識，建立路基的數(shù)學(xué)模型，分析路基的溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場等，為設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。數(shù)值模擬運(yùn)用專業(yè)的軟件，如ANSYS、FLAC等，對路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，預(yù)測路基在不同工況下的性能，優(yōu)化設(shè)計方案。現(xiàn)場試驗(yàn)則是在實(shí)際工程中進(jìn)行試驗(yàn)段建設(shè)，對設(shè)計方案進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整，獲取實(shí)際工程數(shù)據(jù)，為大規(guī)模工程建設(shè)提供參考。4.2基于數(shù)值模擬的復(fù)合路基性能分析4.2.1數(shù)值模擬模型建立為深入探究重力熱管-多年凍土復(fù)合路基的性能，利用有限元軟件ABAQUS建立了數(shù)值模擬模型。在建模過程中，充分考慮實(shí)際工程的幾何尺寸和材料特性，以確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。模型的幾何尺寸根據(jù)實(shí)際工程案例進(jìn)行設(shè)定，以某多年凍土地區(qū)的公路路基為例，路基寬度設(shè)定為10m，高度為2m，凍土深度為5m。重力熱管垂直插入路基中，熱管長度為3m，其中蒸發(fā)段長度為1.5m，位于凍土中，冷凝段長度為1.5m，伸出地面。熱管間距為1m，呈梅花形布置，以保證熱量均勻傳遞和路基溫度場的均勻分布。在材料參數(shù)設(shè)置方面，路基填土選用粉質(zhì)黏土，其密度設(shè)定為1800kg/m3，彈性模量為30MPa，泊松比為0.35，導(dǎo)熱系數(shù)為1.5W/(m?K)。多年凍土的材料參數(shù)根據(jù)其物理力學(xué)性質(zhì)確定，密度為2000kg/m3，彈性模量為50MPa，泊松比為0.3，導(dǎo)熱系數(shù)為2.0W/(m?K)。重力熱管的管殼采用不銹鋼材料，密度為7900kg/m3，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，導(dǎo)熱系數(shù)為16.3W/(m?K)。工質(zhì)選用水，其密度、比熱容、汽化潛熱等參數(shù)根據(jù)溫度變化進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。模型的邊界條件設(shè)置為：底部為固定約束，限制x、y、z三個方向的位移；側(cè)面為水平約束，限制x和y方向的位移；頂部為自由邊界，與大氣接觸，考慮大氣溫度和對流換熱的影響。在熱分析中，設(shè)置路基與大氣之間的對流換熱系數(shù)為10W/(m2?K)，凍土與周圍環(huán)境之間的對流換熱系數(shù)為5W/(m2?K)。初始條件根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和工程實(shí)際情況確定，假設(shè)初始時刻路基和凍土的溫度為-5℃。在網(wǎng)格劃分時，采用六面體單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對重力熱管、路基與凍土的接觸區(qū)域以及溫度變化梯度較大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，以提高計算精度。通過以上設(shè)置，建立了能夠準(zhǔn)確反映重力熱管-多年凍土復(fù)合路基結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬模型，為后續(xù)的模擬分析提供了可靠的基礎(chǔ)。4.2.2模擬結(jié)果分析利用建立的數(shù)值模擬模型，對不同工況下重力熱管-多年凍土復(fù)合路基的性能進(jìn)行了模擬分析，主要包括不同季節(jié)和不同交通荷載工況下路基的溫度場和應(yīng)力場分布，以評估重力熱管對路基性能的改善效果。在不同季節(jié)工況下，模擬了冬季和夏季的路基溫度場分布情況。冬季時，外界氣溫較低，重力熱管開始工作，將路基中的熱量不斷導(dǎo)出。模擬結(jié)果顯示，在重力熱管的作用下，路基溫度明顯降低，凍土上限有所上升。熱管周圍的溫度梯度較大，熱量從熱管蒸發(fā)段向冷凝段傳遞，使得熱管附近的凍土溫度顯著下降，有效增強(qiáng)了凍土的凍結(jié)程度。在距離熱管1m處，凍土溫度從初始的-5℃降低至-8℃左右，提高了路基的穩(wěn)定性。夏季時，外界氣溫升高，重力熱管的傳熱作用減弱，主要起到隔熱作用，阻止外界熱量傳入路基。模擬結(jié)果表明，路基溫度上升幅度較小，凍土融化深度得到有效控制。與未采用重力熱管的路基相比，采用重力熱管的路基在夏季的平均溫度降低了3-5℃，凍土融化深度減少了0.2-0.3m，有效保護(hù)了多年凍土，減少了路基融沉的風(fēng)險。在不同交通荷載工況下，模擬了標(biāo)準(zhǔn)軸載和重載情況下路基的應(yīng)力場分布。當(dāng)施加標(biāo)準(zhǔn)軸載時，路基的應(yīng)力分布較為均勻，最大應(yīng)力出現(xiàn)在路基頂面，數(shù)值約為0.15MPa。重力熱管的存在對路基應(yīng)力分布影響較小，但由于熱管增強(qiáng)了路基的穩(wěn)定性，使得路基在承受交通荷載時的變形減小。在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，采用重力熱管的路基頂面豎向位移比未采用熱管的路基減小了約10%。當(dāng)施加重載時，路基的應(yīng)力明顯增大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在路基頂面靠近車輪處，數(shù)值達(dá)到0.3MPa。此時，重力熱管對路基應(yīng)力分布的調(diào)節(jié)作用更加明顯，能夠有效分散應(yīng)力，降低路基的應(yīng)力集中程度。在重載作用下，采用重力熱管的路基最大應(yīng)力比未采用熱管的路基降低了約15%，有效提高了路基的承載能力，減少了路基出現(xiàn)裂縫和變形的風(fēng)險。通過對不同工況下重力熱管-多年凍土復(fù)合路基的模擬分析可知，重力熱管能夠顯著改善路基的溫度場分布，在冬季有效降低路基溫度，增強(qiáng)凍土的凍結(jié)程度，在夏季阻止外界熱量傳入，減少凍土的融化。在交通荷載作用下，重力熱管也能有效調(diào)節(jié)路基的應(yīng)力場分布，提高路基的承載能力和穩(wěn)定性，對保障多年凍土地區(qū)路基的安全穩(wěn)定具有重要作用。五、工程案例分析5.1工程概況本工程為位于青藏高原某多年凍土地區(qū)的公路建設(shè)項目，該區(qū)域地理位置特殊，處于高海拔的青藏高原腹地，平均海拔超過4500m。該地區(qū)氣候條件惡劣，具有典型的高原大陸性氣候特征。年平均氣溫低，常年處于-5℃左右，冬季漫長且寒冷，極端最低氣溫可達(dá)-30℃以下；夏季短暫且涼爽，極端最高氣溫一般不超過15℃。年溫差和日溫差都很大，年溫差可達(dá)30℃以上，日溫差在15-20℃之間。降水主要集中在夏季，年降水量約為300-400mm，但由于蒸發(fā)量大，空氣干燥，相對濕度較低。該路段的多年凍土厚度較大，平均厚度在30-50m之間，且含冰量較高，屬于富冰凍土和飽冰凍土，凍土的物理力學(xué)性質(zhì)對溫度變化極為敏感。在這種多年凍土條件下，路基容易受到凍脹融沉的影響，穩(wěn)定性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。根據(jù)道路的設(shè)計要求，該公路為二級公路，設(shè)計車速為60km/h，路基寬度為10m。由于該地區(qū)凍土的特殊性，對路基的穩(wěn)定性和耐久性提出了很高的要求。為了確保道路在運(yùn)營期間的安全和穩(wěn)定，需要采取有效的措施來解決多年凍土對路基的影響，其中重力熱管-多年凍土復(fù)合路基結(jié)構(gòu)成為了重點(diǎn)研究和應(yīng)用的對象。5.2重力熱管-多年凍土復(fù)合路基的應(yīng)用實(shí)施在本工程中，重力熱管-多年凍土復(fù)合路基的應(yīng)用實(shí)施經(jīng)過了精心設(shè)計和嚴(yán)格施工，以確保路基的穩(wěn)定性和耐久性。在熱管選型方面，根據(jù)該地區(qū)多年凍土的特性、氣候條件以及路基的熱負(fù)荷需求，選用了外徑為50mm，壁厚為4mm，長度為3m的碳鋼材質(zhì)熱管。碳鋼具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性，能夠適應(yīng)多年凍土地區(qū)惡劣的環(huán)境條件。管殼內(nèi)部采用了銅絲網(wǎng)作為吸液芯，以增強(qiáng)工質(zhì)的回流效果，提高熱管的傳熱效率。工作介質(zhì)選擇了甲醇，甲醇具有較低的沸點(diǎn)（64.7℃）和較高的汽化潛熱（1100kJ/kg），在該地區(qū)的溫度范圍內(nèi)能夠有效地工作。熱管的布置方式采用垂直插入路基的方式，蒸發(fā)段位于多年凍土中，長度為1.5m，冷凝段伸出地面，長度為1.5m。熱管間距確定為1.2m，呈正方形布置。這種布置方式能夠保證熱管在路基中均勻分布，有效地降低路基溫度，增強(qiáng)凍土的穩(wěn)定性。在布置熱管時，還考慮了路基的橫斷面形狀和尺寸，確保熱管能夠覆蓋整個路基寬度，避免出現(xiàn)溫度分布不均勻的情況。復(fù)合路基的施工工藝嚴(yán)格按照設(shè)計要求和相關(guān)規(guī)范進(jìn)行。在路基填筑前，先對原地面進(jìn)行清理和平整，去除雜草、腐殖土等雜物，確保地基的承載力滿足要求。然后鋪設(shè)一層厚度為30cm的砂礫石墊層，以提高路基的排水性能和承載能力。在墊層上，按照設(shè)計間距和位置，采用機(jī)械鉆孔的方式插入重力熱管，鉆孔直徑略大于熱管外徑，以保證熱管能夠順利插入。插入熱管后，在熱管周圍填充導(dǎo)熱性能良好的材料，如粗砂、碎石等，以增強(qiáng)熱管與周圍土體的熱交換效果。接著進(jìn)行路基填土施工，選用的填土材料為當(dāng)?shù)氐姆圪|(zhì)黏土，經(jīng)過試驗(yàn)檢測，其各項指標(biāo)均滿足路基填筑要求。填土采用分層填筑、分層壓實(shí)的方法，每層填筑厚度控制在30cm以內(nèi)，壓實(shí)度達(dá)到95%以上。在填筑過程中，注意避免對熱管造成損壞，同時加強(qiáng)對填土的含水量和壓實(shí)度的控制，確保路基的壓實(shí)質(zhì)量。在路基頂部，鋪設(shè)一層厚度為10cm的保溫層，采用聚苯乙烯泡沫板作為保溫材料。聚苯乙烯泡沫板具有導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫性能好的特點(diǎn)，能夠有效地阻止外界熱量傳入路基，減少凍土的融化。保溫層鋪設(shè)完成后，進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層的施工，包括基層、底基層和面層等，按照設(shè)計要求和施工規(guī)范進(jìn)行施工，確保路面的平整度和強(qiáng)度。在施工過程中，還加強(qiáng)了對施工質(zhì)量的控制和監(jiān)測。對熱管的安裝位置、垂直度、密封性等進(jìn)行嚴(yán)格檢查，確保熱管的安裝質(zhì)量。在路基填筑過程中，定期對填土的壓實(shí)度、含水量等進(jìn)行檢測，及時調(diào)整施工參數(shù)，保證路基的壓實(shí)質(zhì)量。同時，在施工完成后，對路基的溫度、變形等進(jìn)行長期監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和處理可能出現(xiàn)的問題，確保重力熱管-多年凍土復(fù)合路基的穩(wěn)定運(yùn)行。5.3工程監(jiān)測與效果評估為了全面評估重力熱管-多年凍土復(fù)合路基的實(shí)際應(yīng)用效果，在工程實(shí)施后，對路基進(jìn)行了長期的監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容涵蓋了多個關(guān)鍵方面，采用了多種科學(xué)有效的監(jiān)測方法。在溫度監(jiān)測方面，沿路基橫斷面方向，在重力熱管的蒸發(fā)段、冷凝段以及路基不同深度處，每隔一定距離（如0.5m）布置一個高精度的溫度傳感器，如鉑電阻溫度傳感器，其測量精度可達(dá)±0.1℃。溫度傳感器通過數(shù)據(jù)采集線連接到自動數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀按照設(shè)定的時間間隔（如1小時）自動采集并存儲溫度數(shù)據(jù)。通過對溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測和分析，能夠清晰地了解路基在不同季節(jié)、不同時間段的溫度變化情況，以及重力熱管對路基溫度場的調(diào)控效果。在冬季，隨著外界氣溫的降低，重力熱管開始工作，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，路基溫度逐漸降低，熱管周圍的溫度梯度明顯，熱量從熱管蒸發(fā)段向冷凝段傳遞，使得熱管附近的凍土溫度顯著下降。在夏季，重力熱管的傳熱作用減弱，路基溫度上升幅度較小，有效阻止了外界熱量傳入路基，減少了凍土的融化。路基沉降監(jiān)測也是重要的監(jiān)測內(nèi)容之一。在路基表面，每隔一定距離（如5m）設(shè)置一個沉降觀測點(diǎn)，采用高精度的水準(zhǔn)儀進(jìn)行定期觀測。水準(zhǔn)儀的精度可達(dá)±0.5mm，能夠準(zhǔn)確測量路基表面的沉降量。在觀測過程中，以穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)為參照，測量觀測點(diǎn)的高程變化，通過多次觀測數(shù)據(jù)的對比分析，計算出路基的沉降量和沉降速率。為了更全面地了解路基內(nèi)部的沉降情況，還采用了分層沉降儀進(jìn)行監(jiān)測。分層沉降儀通過在路基不同深度處埋設(shè)磁性環(huán)，利用電磁感應(yīng)原理測量磁性環(huán)的位移，從而得到路基內(nèi)部不同深度的沉降情況。經(jīng)過多年的監(jiān)測，結(jié)果表明，采用重力熱管-多年凍土復(fù)合路基后，路基的沉降量得到了有效控制，沉降速率明顯降低。與未采用熱管的路段相比，沉降量減少了約30-50%，有效保障了路基的穩(wěn)定性和道路的正常使用。除了溫度監(jiān)測和路基沉降監(jiān)測，還對路基的含水量進(jìn)行了監(jiān)測。在路基不同位置和深度處，采用時域反射儀（TDR）或中子水分儀進(jìn)行含水量測量。時域反射儀利用電磁波在土壤中的傳播速度與含水量的關(guān)系來測量含水量，測量精度可達(dá)±2%。中子水分儀則通過測量土壤中氫原子核與中子的相互作用來確定含水量。通過對含水量的監(jiān)測，能夠了解路基水分的分布和變化情況，分析水分對路基穩(wěn)定性的影響。在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，重力熱管的存在對路基含水量分布有一定的影響，熱管的散熱作用使得路基中水分的遷移規(guī)律發(fā)生改變，減少了水分在路基中的積聚，從而降低了路基因含水量變化導(dǎo)致的凍脹和融沉風(fēng)險。通過對溫度、路基沉降和含水量等監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析，評估重力熱管-多年凍土復(fù)合路基的實(shí)際應(yīng)用效果。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，重力熱管在調(diào)節(jié)路基溫度方面發(fā)揮了重要作用，有效地降低了路基溫度，增強(qiáng)了凍土的穩(wěn)定性，減少了路基的凍脹融沉現(xiàn)象。復(fù)合路基的沉降量和沉降速率得到了有效控制，保障了道路的平整度和行車安全。路基含水量的變化也在可控范圍內(nèi)，減少了水分對路基穩(wěn)定性的不利影響。重力熱管-多年凍土復(fù)合路基在該工程中的應(yīng)用取得了良好的效果，為多年凍土地區(qū)的道路建設(shè)提供了可靠的技術(shù)方案和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)通過對重力熱管傳熱參數(shù)及其在多年凍土復(fù)合路基結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究，取得了以下主要成果：重力熱管傳熱參數(shù)研究：基于熱力學(xué)和流體力學(xué)理論，成功構(gòu)建了重力熱管傳熱的數(shù)學(xué)模型，深入剖析了熱管內(nèi)熱量傳遞和工質(zhì)相變的機(jī)制。明