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各位领导、各位专家：

各位领导、各位专家：. 上午好. 第 II 课题“青藏铁路沿线路基冻融病害形成机理及其防治对策研究” 专题. 调控天然冷量维护冻土路基研究 Frozen Embed by Adjusting - Using Natural & Artificial Low Temperature. Prof. Dr.-Ing. Guoqing ZHOU School of Civil Engineering，CUMT 2003 .11. 21~23 Lanzhou. 内 容. 专题基本情况 数值模拟分析 物理模拟试验 主要研究结论. 专题基本情况.

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  1. 各位领导、各位专家： 上午好

  2. 第II课题“青藏铁路沿线路基冻融病害形成机理及其防治对策研究”第II课题“青藏铁路沿线路基冻融病害形成机理及其防治对策研究” 专题 调控天然冷量维护冻土路基研究 Frozen Embed by Adjusting - Using Natural & Artificial Low Temperature Prof. Dr.-Ing. Guoqing ZHOU School of Civil Engineering，CUMT 2003.11. 21~23 Lanzhou

  3. 内 容 • 专题基本情况 • 数值模拟分析 • 物理模拟试验 • 主要研究结论

  4. 专题基本情况 目的 通过采集、调节、控制天然冷量，必要时辅以人工制冷技术，调节路基温度场，从而保持路基，特别是高温冻土、富冰冻土区路基的冻土状态，确保冻土路基稳定 内容 探讨采控冷量维护冻土路基机理，研究管路布置及参数（管径、管间距、管位置、管长度、管倾角等）对路基温度场的调控效应

  5. 专题基本情况 数值模拟： （1）高温冻土区纵向布置单管调控模型 （2）富冰冻土区纵向布置单管调控模型 （3）高温冻土区纵向布置双管调控模型 （4）富冰冻土区纵向布置双管调控模型 （5）高温冻土区倾斜布置双管调控模型 （6）富冰冻土区倾斜布置双管调控模型 （7）人工制冷倾斜布置双管调控模型 （8）预冷路堤土调控模型 （9）超低温制冷倾斜布置双管调控模型 共建立二维、三维数值模型216组

  6. 专题基本情况 物理模拟试验 （1）纵向布管采控天然冷模型 （2）纵向布管采控天然冷并辅助人工制冷模型 （3）倾斜布管采控天然冷模型 （4）倾斜布管采控天然冷并辅助人工制冷模型 （5）机车荷载作用模型

  7. 数值模拟分析 数值模拟仿真 控制微分方程及其有限元公式： 带相变瞬态温度场问题的热量平衡控制微分方程 显热容法处理相变问题 采用有限元法，计算公式：

  8. 模型长度 80m 模拟深度 30m 路堤顶宽 8.8m 路堤底宽 20m 路堤高度 4.98m 道碴厚度 0.4m 数值模拟原型、参数与边界条件： 下边界地温初始值取-0.8℃，年平均地温上升0.0005℃

  9. 有限元分析模型 二维有限元模型（初始状态） 三维模型（倾斜调控管路） 二维有限元模型（水平调控管路）

  10. 模拟与实测地温分布对比 ——实测地温曲线 ——数值模拟曲线

  11. 原始状态地层温度场变化 不同深度地温变化 • 时间上：地温变化滞后于气温变化，5m 与 0.4m 深处相位差达 ¼ 个相位 • 空间上：浅部地温波动趋势与气温基本一致， 主导因素：大气温度 深部变化幅度减小，曲线平缓。0.4m处波动9.2℃；5.0m处3.8℃

  12. 初始状态路基与地层温度场变化 深2.88m 深5.38m 深7.58m 深25.38m 初始状态路基中心线下各点温度历时 • 路基内温度施工2年降+0℃附近，10年后进负温，随后温度呈简谐波渐降 • 路基施工初始温度对地层温度演变影响很大

  13. 采集天然冷量后地层温度场变化规律（纵向布置双管，深5.38m）采集天然冷量后地层温度场变化规律（纵向布置双管，深5.38m） 路基中心线下各点温度历时 路面下0.38m 路面下2.88m 路面下5.38m 路面下7.58m • 路基部分：与初始地层规律基本一致，存在相位滞后和振幅衰减 • 地层部分：温度波动较稳，最低温度比埋管(5.38m)处高，离管越远，影响越弱 无论采用何种形式采控管路，地温曲线形状类似，对路基均有一定冷却作用

  14. 采集天然冷量后地层温度场变化（纵向布置双管，深5.38m）采集天然冷量后地层温度场变化（纵向布置双管，深5.38m） 初始模型与调控模型温度变化比较 • 初始模型：内部温度2年后下降到+0度附近；维持时间长。约15年渐入负温， 随后温度逐步降低并与大气温度波动趋同 • 采控冷量模型：温度为负，随采控“开—关—开”，呈正弦-9℃~-2.5℃间波动

  15. 超低温制冷后地层温度场变化规律（倾斜布置双管，仅制冷1个月）超低温制冷后地层温度场变化规律（倾斜布置双管，仅制冷1个月） 路面下0.38m 路面下7.58m 路面下5.38m 路面下2.88m 路面下不同深度处温度随时间的变化 超低温制冷，大大缩短路基进入负温状态时间——路基快速，大范围降温

  16. 预冷路基模型地层温度场变化规律（预冷温度-1℃）预冷路基模型地层温度场变化规律（预冷温度-1℃） 路面下14.18m 路面下9.38m 路面下7.38m 路面下3.38m 路面下5.38m 路面下1.4m 路面下不同深度处温度随时间的变化 • 路堤预冷后，路基土迅速处于负温状态，即使在夏季温度升幅也不大 • 深度越深，温度波动越小，最深（14.18m）处，温度在-0.21~-0.63℃之 间变化，几乎为一直线

  17. 纵向布置双管模型地温分布 • 路基施工后第1个月 未开始调控，地温分布基本一致 • 路基施工后第2年1月 调控，温度明显降低，差达2.3℃，4m深以下基本一致，上限提高 • 路基施工后第5年1月 路基中心温度已为负(-4.2℃)，原始模型0℃左右 • 路基施工后第15年1月后 路基中心温度继续降低，负温向下发展，整个地层温度差异显著 第1年10月 第2年1月 第5年1月 第15年1月

  18. 采控参数影响——管径 （管径400mm） （管径300mm） • 若其他条件相同，管径越大，效果越好 • 管径500mm附近路基温度明显低于300mm管径，温差0.5℃，温度梯度也较大 • 随管距离增大，温差逐渐减小 （管径500mm）

  19. 采控参数影响——管间距 （管间距5.0m） （管间距3.0m） • 管间距变化主要影响路基部分 • 管间距不同，负温核交圈时间不同 • 管间距为5m时，形成连续负温温度场 （管间距10.0m）

  20. 采控参数影响——管位置 （下缘与地面齐 ） （上缘与地面齐 ） • 随管位置降低，上部路基逐渐产生正温夹层，并逐步增厚、增大 • 因路堤与路基热参数不同，管路周围冻土核形状有所不同。位置偏下时，负温向下发展趋势明显 • 调控管路宜直接敷设在天然地面上 （中心距离地面0.5m）

  21. 采控参数影响——管长度 （长度9.0m） （管长5.0m） • 管长度越长，效果越好。 9.0m与5.0m比，路基中心温度低0.5℃ • 与其他因素相比，管长度影响更大

  22. 采控参数影响——管倾角 （倾角30度） （倾角60度） • 管路倾角越小，路基下融化夹层越小 • 倾斜30度时融化层形状与60度明显不同，但随深度增加，其影响减弱 • 当冻土上限较高时，小角度采控管布置效果优于大角度

  23. 采控参数影响——人工制冷 · 温度 （－10℃） （－15℃） • 采用辅助人工制冷后，不同制冷温度对温度场影响主要集中在路基中 • 辅助人工制冷温度从-10℃降至-15℃，影响不显著，即温度未必越低越合理

  24. 采控参数影响——人工制冷 · 时间 （1年） （3年） • 辅助人工制冷后，不同制冷时间影响主要集中在管路附近，温差达1℃，但路基外地层温度温差也较大，随着人工制冷结束，温差逐步减小 • 采用辅助人工制冷时，可以采用低强度长时间等措施

  25. 系统介绍

  26. 主界面

  27. 模型信息

  28. 说 明

  29. 调控天然冷量模型 ——高温冻土 调控天然冷量模型 ——富冰冻土

  30. 高温冻土 水平布置单管

  31. 高温冻土 水平布置双管

  32. 高温冻土 倾斜布置调控管路

  33. 富冰冻土 水平布置单管

  34. 富冰冻土 水平布置双管 等温线

  35. 富冰冻土 倾斜布置管路 等温线

  36. 辅助人工制冷 等温线

  37. 预冷路基土

  38. 超低温制冷 或工程抢险 等温线

  39. 物理模拟试验 模拟试验影响参数

  40. 物理模拟试验 模拟试验相似准则

  41. 模拟试验系统 制冷控温系统

  42. 试验加载系统 温度、变形、应力 测试系统

  43. 物理模拟环境温度与地表温度随试验时间的变化物理模拟环境温度与地表温度随试验时间的变化 模拟试验环境温度按照青藏高原实际情况进行控制，路基地表的温度，其变化与环境温度的变化规律一致，试验较好地控制了大气与路基表面的热交换，确保了模拟试验的相似条件

  44. 物理模拟试验 调控天然冷量时路基中心各点温度随时间变化 • 调控天然冷量的路基内温度变化受环境的影响，也受调控温度影响。 • 冬季利用天然冷量，在路基修筑前两年，路基内仍然有正温融化盘。 • 随冷量的不断利用，第3年以后温度变为负值，融化盘逐渐消失，整个路基基本呈现负温状态，对路基稳定十分有利。

  45. 物理模拟试验 调控天然冷量并辅以人工制冷时路基中心各点温度随时间变化 调控天然冷量并采用人工制冷进行调控时，冻土路基温度下降幅度更大，路基内不出现正温，有效调节范围达管径的40倍，与数值模拟结果相似。说明利用人工制冷调节路基温度场十分有效。

  46. 调控冻土路基温度时路基内部土压力的变化 调控路基温度场时，路基内土压力将发生变化，人工制冷调控比单一利用天然冷量时变化要大。随调控过程的持续，土压力日趋稳定。

  47. 调控冻土路基温度时路基表面的变形 调控冻土路基温度时，路基表面变形变化与大气温度变化密切相关，总体趋势是逐步增大，其中路基坡脚的变形更为明显，其原因应是土体冻胀的结果。

  48. 机车荷载作用下冻土路基内温度随时间变化 冻土路基在列车运行荷载扰动下，当环境温度保持在负温时，荷载作用影响范围区域内路基中的各测点，平均温度升高约0.5℃左右，1～2天后趋于恒定。

  49. 主要研究结论 • 采控冷量、辅助人工制冷、预冷路基土、短时低温制冷等方法能积极、主动地调节路基的温度场，但富冰冻土内温度场的演变要比高温冻土难。 • 当采用水平布管调控路基温度场时，调控管的位置在路基与地层交界面上方为宜；调控管管径越大，调控范围越大，直径<300mm难以满足工程要求；布置双管比单管好，小管径双管调控范围可达整个路基；在管径、管位置一定时，存在最佳管间距，如管径400mm，管间距为5.0m时调控范围及效果最佳。 • 当采用倾斜布管时，调控效果比同直径水平布置双管要好；在管径、倾角、管长等主要参数中，管长影响较大；倾斜布管调控影响范围一般可达管径的40倍；当管径取300mm、倾角为30度时调控效果较好；垂直布管对路基中心温度场缺乏调控能力。

  50. 主要研究结论 • 当采用人工制冷辅助进行调控时，可缩短路基达到负温的时间，且效果明显优于仅采集天然冷量，但制冷温度与持续时间应根据工程实际进行优化。 • 若路基施工前预冷路堤土，可有效减弱和消除地基中的融化盘；最佳预冷温度宜在0～-1℃。 • 若采用短时超低温制冷，冻结速度可达20cm/d，对路堤土整体降温及长期处于负温状况十分有利。 • 物理模拟试验结果表明，仅在冬季利用天然冷量调控温度场时，在路基修筑3年以后，整个路基才基本处于负温状态；若同时采用人工制冷，则路基内基本不出现正温，有利于维护路基稳定。 • 在列车运行荷载扰动下，冻土路基内平均温度升高约0.5℃左右，以后一直保持稳定。

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