季節(jié)性凍土地區(qū)泡沫混凝土保溫板路基溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

李 東，　程 佳

(1.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第四工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150009；2.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043)

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季節(jié)性凍土地區(qū)泡沫混凝土保溫板路基溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

李 東1，程 佳2

(1.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第四工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150009；2.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043)

摘要：近年來，泡沫混凝土作為一種輕質(zhì)保溫材料得到廣泛應(yīng)用，然而對(duì)泡沫混凝土作為保溫材料應(yīng)用于季節(jié)凍土區(qū)高鐵路基的研究相對(duì)較少。以哈齊客專DK221+150斷面的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用ABAQUS有限元分析軟件，建立泡沫混凝土保溫板路基的溫度場(chǎng)模型，研究泡沫混凝土保溫板在季節(jié)凍土區(qū)對(duì)鐵路路基的保溫效果。通過對(duì)不同工況下泡沫混凝土保溫板路基進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，優(yōu)化路基兩側(cè)泡沫混凝土保溫板的鋪設(shè)長度。模擬計(jì)算結(jié)果表明：泡沫混凝土保溫板對(duì)路基具有明顯的保溫效果，當(dāng)保溫板的鋪設(shè)方式為路基面全幅鋪設(shè)且路基兩側(cè)的鋪設(shè)長度由路肩延伸至4.0 m時(shí)保溫效果最佳。

關(guān)鍵詞：泡沫混凝土；保溫板；季節(jié)性凍土；鐵路路基；溫度場(chǎng)

季節(jié)凍土地區(qū)因冬季寒冷，鐵路路基極易出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象,而春季路基又會(huì)發(fā)生融化，在這種凍融循環(huán)的作用下，導(dǎo)致鐵路路基發(fā)生翻漿冒泥、下沉等路基病害，影響列車的運(yùn)行安全[1]。因此，要想使得季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基病害得到控制，就應(yīng)當(dāng)首先確保季凍區(qū)路基的熱穩(wěn)定。

季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基中鋪設(shè)保溫材料是減少冷量傳入路基、增加路基熱阻的一種有效措施。此種措施在國內(nèi)外都已得到廣泛應(yīng)用，對(duì)路基有良好的保溫效果[2-7]。然而在之前的研究中，大多只是考慮保溫材料對(duì)路基面的熱阻作用，并沒有考慮冷量從路基兩側(cè)傳入時(shí)對(duì)路基土體的凍結(jié)影響。事實(shí)上，冷量由路基邊坡兩側(cè)傳入對(duì)路基內(nèi)土體的凍脹有不可忽視的影響。此外，目前在鐵路路基中應(yīng)用較廣泛的保溫板材料為聚苯乙烯泡沫塑料，并且對(duì)其理論上的研究也相對(duì)較深入，而對(duì)泡沫混凝土保溫性能的理論研究相對(duì)較少，并且應(yīng)用于鐵路路基保溫材料中的研究也較少。

數(shù)值模擬是研究凍土區(qū)路基溫度場(chǎng)的一種有效方法[8]，本文通過數(shù)值模擬的方法，以哈齊客專為背景，研究泡沫混凝土保溫板在鐵路路基中的保溫效果，以及對(duì)泡沫混凝土保溫板在路基兩側(cè)的鋪設(shè)長度問題進(jìn)行優(yōu)化。

1 泡沫混凝土保溫板路基溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

1.1 模型建立

哈齊客專是我國典型的季節(jié)性凍土地區(qū)的高速鐵路，本文以其DK221+150監(jiān)測(cè)斷面為研究對(duì)象，通過有限元分析軟件來對(duì)凍土區(qū)路基溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，目的是分析泡沫混凝土保溫板對(duì)路基的保溫效果。文中路基溫度場(chǎng)的計(jì)算模型包括五種不同工況，分別對(duì)不同工況下路基的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

根據(jù)哈齊客專路基斷面形式、尺寸和地質(zhì)勘測(cè)資料，以DK221+150監(jiān)測(cè)斷面處路基的熱穩(wěn)定性為研究對(duì)象，路基計(jì)算模型的設(shè)計(jì)高度為3.97 m，頂面寬度為13.4 m，路基邊坡坡度為1∶1.75。土質(zhì)以粉砂為主，基床0～0.55 m范圍內(nèi)為級(jí)配碎石，0.55～3.97 m范圍為非凍脹性A、B組填料，路基下部為混凝土筏板，如圖1所示。根據(jù)哈齊客?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)及有關(guān)參考文獻(xiàn)，確定路基模型中各土層的熱物理參數(shù)以及泡沫混凝土保溫板的熱物理參數(shù)[9]如表1所示，其中各土層的密度與溫度無關(guān)。

圖1　路基溫度場(chǎng)計(jì)算模型

路基在縱向上可認(rèn)為是無限延伸的，因此研究路基溫度場(chǎng)的分布，可以只考慮其橫斷面內(nèi)的二維溫度場(chǎng)分布；該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度非常充分，因此邊界條件直接輸入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，忽略土中水分遷移的影響；左右計(jì)算范圍為路堤坡腳各向外延伸20 m；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，計(jì)算深度為天然地面下10 m，年平均地溫7 ℃。

表1 路基各土層的溫度參數(shù)

注：ρd為土體干密度(kg/m3)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)(kJ/(m·℃·d))；C為比熱(kJ/(kg·℃))。

1.2 初始條件及邊界條件

通過ABAQUS有限元軟件對(duì)路基溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，路基計(jì)算模型的網(wǎng)格為structure四邊形單元，單元全部的長度為0.2 m，如圖1所示。模型計(jì)算以d為時(shí)間單位。由數(shù)據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)頻率，每天為一個(gè)荷載時(shí)間段，全年劃分為365個(gè)時(shí)間段來進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算精度達(dá)到0.01 ℃。其中材料屬性中的時(shí)間單位也為d。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及實(shí)際情況，初始溫度場(chǎng)取2012年6月1號(hào)的路基溫度場(chǎng)。模型上邊界條件采用試驗(yàn)斷面的現(xiàn)場(chǎng)溫度，左右邊界為絕熱。下邊界條件依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[10]及實(shí)際溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可知該地區(qū)天然地面以下10 m處豎向熱交換甚微，地溫基本不變，年平均地溫7 ℃。為了驗(yàn)證泡沫混凝土保溫板的效果，五種工況的模型應(yīng)用相同的初始條件，即邊界條件都為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值。

1.3 模型驗(yàn)證

通過對(duì)比路基溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值，可以驗(yàn)證計(jì)算模型的合理性與可靠性。模型驗(yàn)證根據(jù)哈齊客專DK221+150斷面的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2012年6月1日為起始時(shí)間。

為使模型的驗(yàn)證更加有代表性，選取一年中典型時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。包括2013年4月22日(年平均氣溫)，2012年7月22日(年最高氣溫氣溫)，2013年1月18日(年最低氣溫天氣)，2013年4月1日(路基最大凍深天氣)。

由圖2可知，路基計(jì)算模型及參數(shù)的選擇，可以較好地模擬天然地表以下土體的溫度分布情況。

圖2　天然地表處地溫驗(yàn)證

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

有關(guān)研究表明[11]，鐵路路基中保溫板的埋設(shè)深度越淺其保溫效果越好，因此本文在路基面全幅鋪設(shè)泡沫混凝土保溫板。其中路基面鋪設(shè)泡沫混凝土保溫板時(shí)，考慮列車荷載作用和耐久性，必須具有足夠的強(qiáng)度；而路基兩側(cè)鋪設(shè)泡沫混凝土保溫板時(shí)，考慮環(huán)保效果，在保溫板表面覆蓋1.5 m寬度的細(xì)粒土護(hù)道。

五種工況下的路基溫度場(chǎng)計(jì)算模型：不設(shè)置保溫板(普通路基)(工況1)、路基面全幅鋪設(shè)泡沫混凝土保溫板(厚15 cm)(工況2)，路基面及兩側(cè)路肩向下分別延伸2.6 m(路基高度1/3)(工況3)、4.0 m(路基高度1/2)(工況4)、5.2 m(路基高度2/3)(工況5)處鋪設(shè)泡沫混凝土保溫板，如圖3所示。

2.1 泡沫混凝土板的保溫性能分析

圖4為普通路基與路基面鋪設(shè)泡沫混凝土保溫板的溫度場(chǎng)分布云圖，從圖中可以看出，溫度場(chǎng)并未關(guān)于路基中心對(duì)稱分布，是由于此處存在陰陽坡效應(yīng)[12]，其中路基左側(cè)為陽坡，右側(cè)為陰坡，左側(cè)溫度相對(duì)于右側(cè)溫度偏高。

圖3　路基計(jì)算模型示意圖

圖4　路基溫度場(chǎng)分布

由圖5及表2可知，路基表面鋪設(shè)泡沫混凝土保溫板可以有效的防止路基凍脹，其中路基中心處最大凍深抬升為1.93 m。此外，泡沫混凝土保溫板的保溫效果從路基中心向兩側(cè)逐漸降低，產(chǎn)生此種現(xiàn)象主要是因?yàn)槔淞坑陕坊鶅蓚?cè)坡面?zhèn)魅肼坊馏w，從而使得保溫板對(duì)路基兩側(cè)的保溫效果降低?？梢?，如果在路基兩側(cè)沿邊坡上再鋪設(shè)一定長度的保溫板，保溫效果會(huì)更好，同時(shí)根據(jù)凍深變化情況，進(jìn)一步優(yōu)化路基兩側(cè)邊坡保溫板的鋪設(shè)長度。

圖5　最大凍深對(duì)比曲線

左路肩距左路肩1m路基中心距右路肩1m右路肩普通路基-2.19-2.10-2.08-2.30-2.63路基上表面鋪設(shè)保溫板-1.86-1.36-0.15-1.67-2.31差值0.330.741.930.630.32

2.2 不同工況下路基溫度場(chǎng)分布規(guī)律

觀察不同工況下，泡沫混凝土對(duì)鐵路路基溫度場(chǎng)的影響情況，如圖6所示。

由圖6可知，通過對(duì)4種工況的數(shù)值模擬，可以發(fā)現(xiàn)隨著路基兩側(cè)保溫板鋪設(shè)長度的延伸，兩側(cè)路肩下部土體的凍深范圍逐漸減少，其中鋪設(shè)至路基高度三分之一處，凍深范圍影響幅度變化最大。此外，由于陰陽坡的存在，使得不同工況下路基左側(cè)的保溫效果都優(yōu)于右側(cè)。

圖6 不同工況下路基等溫線分布(單位：m)

2.3 不同工況下路基最大凍深線分布規(guī)律

由圖7及表3，當(dāng)路基兩側(cè)保溫板鋪設(shè)長度為2.6 m時(shí)，路肩處的凍深范圍變化最大，其中左路肩處抬高1.17 m，右路肩處抬高1.17 m。隨著兩側(cè)鋪設(shè)長度的增加，左側(cè)邊坡的凍深線已經(jīng)接近保溫板面層，但由于右側(cè)邊坡位于陰面，其凍結(jié)深度較大，因此并未將凍深線抬升至保溫板面層。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出路基中心處的最大凍深為-2.4 m、右路肩最大凍深為-2.3 m、左路肩最大凍深為-1.9 m，對(duì)比上述工況可以發(fā)現(xiàn)，泡沫混凝土板的保溫效果明顯。

圖7 不同工況下路基最大凍深對(duì)比曲線

綜上所述，根據(jù)哈齊客?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)路基兩側(cè)泡沫混凝土保溫板鋪設(shè)長度為2.6 m時(shí)，可以很好地保護(hù)路肩下土體；但是如果經(jīng)濟(jì)允許，并且線路較為重要時(shí)，建議將保溫板鋪設(shè)長度延伸至4.0 m。

表3 不同工況下路基特殊位置最大凍深對(duì)比　m

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)五種不同工況下路基溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于具有明顯保溫效果的泡沫混凝土板，如果僅在路基面鋪設(shè)時(shí)，兩側(cè)路肩處保溫效果較差，說明在路基兩側(cè)邊坡延伸鋪設(shè)保溫板非常必要。

(2)路基兩側(cè)保溫板的鋪設(shè)長度的選擇應(yīng)當(dāng)綜合考慮造價(jià)、施工以及線路重要程度等因素，如果線路較為重要，建議將該地區(qū)路基兩側(cè)邊坡的泡沫混凝土鋪設(shè)長度延伸至4.0 m。

(3)盡管泡沫混凝土對(duì)路基具有良好的保溫效果，但需要足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而這兩項(xiàng)與導(dǎo)熱系數(shù)負(fù)相關(guān)。因此，需要對(duì)泡沫混凝土板的強(qiáng)度、保溫性和穩(wěn)定性做進(jìn)一步的優(yōu)化研究。

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On the Numerical Simulation of the Temperature Field of a FoamedConcrete Insulation Board Subgrade in Seasonally Frozen Regions

Li Dong1，Cheng Jia2

(1.The 4th Engineering Co. Ltd. of the Bridge Engineering Bureau Group of China Railway,Haerbin 150009,China;2.Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

Abstract:As a kind of lightweight thermal insulation material, foamed concrete has been widely used in recent years.However,there is comparatively little study of the application of foamed concrete to the subgrade of high speed railways in seasonally frozen regions,in which case a model of the temperature field for the subgrade made up of foamed concrete boards is established in the paper in the light of the site-monitored data from the cross-section of DK221+150 section of the Ha-Qi Passengers-oriented Railway and by means of the ABAQUS finite element analysis software to study the thermal insulation effect of foamed concrete insulation boards for the railway subgrade in seasonally frozen regions.Through numerically simulating the temperature fields of the foamed insulation board subgrade in various construction conditions, the laying length of the foamed insulation boards on both sides of the subgrade is optimized.The simulated results show that: foamed concrete has obvious thermal insulation effects on the subgrade.When the full-width of the subgrade surface is covered with foamed concrete thermal insulation boards and the laying length on both sides of the subgrade extends to 4.0 m,the thermal effect is the best.

Key words:foamed concrete;insulation board;seasonally frozen soil;subgrade of the railway;temperature field

收稿日期：2016-03-04

基金項(xiàng)目：鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃(2011G026-A)

作者簡(jiǎn)介：李東(1966—)，男，高級(jí)工程師，主要從事鐵道工程技術(shù)管理工作731191861@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.009

中圖分類號(hào)：U213.14

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3953(2016)03-0035-04