新型路基結(jié)構(gòu)復(fù)合裝置增強(qiáng)高原凍土路基熱穩(wěn)定性能研究

王明龍

（山西交科公路工程咨詢監(jiān)理有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

青藏高原處于北緯25° ～40°，海拔超過4 000 m，空氣稀薄，由于這樣獨(dú)特的地理環(huán)境影響，使其成為全世界僅次于撒哈拉大沙漠的第二高太陽輻射地區(qū)[1-2]。在夏季時(shí)，瞬時(shí)太陽輻射最高可達(dá)1 300 W/m2，高輻射會(huì)讓青藏高原上的公路與鐵路的路基熱穩(wěn)定性受到很大的挑戰(zhàn)。由于海拔較高，海拔每升高100 m氣溫下降0.6℃，因此，青藏高原與上海市處于同一緯度，但年平均氣溫卻降低了約25℃，這樣的環(huán)境讓青藏高原大多數(shù)路基處于多年凍土層上。多年凍土地表在修筑公路或鐵路時(shí)，由于路基對(duì)太陽輻射吸收率較高，導(dǎo)致多年凍土退化，引起地基熱擾動(dòng)，進(jìn)而降低路面穩(wěn)定性[3-4]。為了減少路基結(jié)構(gòu)的熱擾動(dòng)，路基通常修筑在凍土層上，凍土層作為填充層起到穩(wěn)定路基的作用。因此，保持凍土層穩(wěn)定，使其堅(jiān)固耐用，減少路堤的熱增益，從而保持自然地基下的凍土穩(wěn)定性。可以利用的冷卻方法包括：

a）用碎石塊墊高路基表面。

b）在路基上埋設(shè)一系列通風(fēng)管道。

c）增加路基表面的反射率。

d）在路堤上插入熱虹吸管以排除地面熱量。

e）在路基表面安裝遮擋裝置，使路基免受日曬。

f）以上多種方式的組合。

由于土壤獲得熱量的主要來源是太陽輻射，因此，減少太陽輻射對(duì)路基的輻射吸收是保持路基凍土層穩(wěn)定的最有效方法[5-6]。與平原地區(qū)的路基不同，高原地區(qū)的路基需要遮陽裝置，抵擋部分的太陽輻射，以減輕對(duì)凍土層的熱擾動(dòng)。雖然遮陽裝置在處理凍土層路基降溫方面早已被證實(shí)是有效的，但是由于遮陽裝置會(huì)被大風(fēng)吹倒，所以此類裝置很少實(shí)際應(yīng)用，特別是在青藏鐵路中。一般情況下，遮陽裝置是在路堤坡上方0.5～1.0 m處放置類似于屋頂板的裝置。在溫暖的季節(jié)，通過遮擋陽光減少土壤的熱量吸收，而在寒冷的季節(jié)，土壤的熱量是通過遮陽裝置底部與路堤斜坡之間的間隙中的空氣對(duì)流排出，具體方式如圖1所示。

圖1 高原路基一般形式（單位：cm）

這個(gè)遮擋設(shè)備在多風(fēng)的季節(jié)會(huì)被大風(fēng)吹翻，因此實(shí)際使用中往往是在遮陽裝置下方鋪設(shè)石子層對(duì)遮陽裝置進(jìn)行固定支撐。但是由于現(xiàn)有的遮陽裝置對(duì)太陽輻射的吸收率較高，且價(jià)格較為昂貴，在實(shí)際使用中并沒有很好地發(fā)揮遮陽降溫保持路基熱穩(wěn)定性的作用，因此，本文提出以下替代方案。

保持原有的碎石層，在碎石層上鋪設(shè)空心磚?？招拇u易于固定，可解決大風(fēng)將其吹翻的問題，且現(xiàn)階段國內(nèi)各個(gè)金屬礦廠尾礦高溫?zé)Y(jié)空心磚技術(shù)不斷成熟，在一定程度上對(duì)環(huán)境保護(hù)起到了積極作用，由于采用了空心結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率大大下降，圖2為改進(jìn)前后的路基形式簡(jiǎn)化模型圖，對(duì)該結(jié)構(gòu)與原有的結(jié)構(gòu)使用ANSYS Workbench進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析，分析改進(jìn)后的新型路基復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)高原凍土層路基熱穩(wěn)定性的影響。

圖2 改進(jìn)前后的路基形式

1 熱力學(xué)分析基礎(chǔ)理論

該遮陽裝置是典型的大平壁導(dǎo)熱問題。在遮陽裝置中與路基部分的主要熱傳導(dǎo)方式為熱輻射；在碎石層中，由于大量空氣的存在，主要熱傳導(dǎo)方式為熱對(duì)流傳導(dǎo)；在遮陽裝置表面，由于受到太陽輻射，是整個(gè)系統(tǒng)的熱輸入部位，主要的傳熱方式為熱輻射與空氣在此表面的對(duì)流傳熱。為了對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，先介紹3種傳熱基本方式的數(shù)值計(jì)算方法。

1.1 導(dǎo)熱

導(dǎo)熱是一種常見的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，是同一物體各部分之間沒有相對(duì)位移或者不同物體之間接觸后，因接觸部分的原子、離子、分子等自由接觸引起的熱量傳遞現(xiàn)象，導(dǎo)熱是物質(zhì)的固有屬性，在路基中是主要的熱傳遞方式，太陽能在輻射到路面后，通過導(dǎo)熱的方式傳遞到凍土層部位，由于熱傳導(dǎo)主要與材料自身屬性有關(guān)，降低熱導(dǎo)率能夠大大減少熱量的傳遞。平壁熱量的計(jì)算公式如式（1）所示。

或熱流密度

式中：A為壁面積，m2；δ為壁厚，m；Δt為壁兩側(cè)表面的溫差，℃；λ為比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)或熱導(dǎo)率。

熱流密度公式為：

由于傳熱比例系數(shù)λ與熱阻Rt均為物質(zhì)本身的固有屬性，那么，在確定了物質(zhì)種類后，即可確定其傳熱比例系數(shù)λ與熱阻Rt。因此，降低遮陽裝置熱傳導(dǎo)比例系數(shù)是解決凍土層升溫導(dǎo)致熱穩(wěn)定性降低的有效手段。

1.2 熱對(duì)流

熱對(duì)流是另一種常見的熱量傳遞方式，主要是依靠物體的運(yùn)動(dòng)，依靠物質(zhì)的宏觀運(yùn)動(dòng)傳遞熱量，主要存在于氣體和液體中。若熱對(duì)流過程中單位時(shí)間通過單位面積有質(zhì)量M[kg/(m2·s)]的流體由溫度t1的地方流到t2處，其比熱容為cp[J/(kg·K)]，則熱對(duì)流的熱流密度應(yīng)為：

但是在大多數(shù)環(huán)境下，傳熱現(xiàn)象中往往不會(huì)只出現(xiàn)熱對(duì)流，由于在熱對(duì)流中存在溫度差，導(dǎo)致對(duì)流換熱的過程中往往也包含有導(dǎo)熱的作用，因此，可以將對(duì)流換熱基本方程定義為：

式中：tw為固體壁表面溫度，℃；tf為流體溫度，℃；Δt為壁面與流體溫度差，℃；h為對(duì)流換熱表面的傳熱系數(shù)。

對(duì)于該模型，在碎石層中主要存在對(duì)流換熱傳熱方式，由于改進(jìn)前后的碎石層相同，所以，對(duì)流傳熱在本次分析中為定量，不作為主要分析對(duì)象展開討論。

1.3 熱輻射

熱輻射是物體沒有接觸，依靠自身發(fā)出的不可見射線傳遞熱量，與對(duì)流導(dǎo)熱不同，熱輻射沒有任何接觸，主要存在于宇宙空間中。本次研究的熱量來源為太陽輻射，路基表面單位時(shí)間，單位面積所受到的輻射量稱為輻射力，高原地區(qū)夏季最高輻射力可以達(dá)到1 300 W/m2，可以將輻射力用E來表示，它的常用單位是J/(m2·s)，或W/m2，它滿足斯蒂芬-玻爾茲曼定律：

式（6）也可寫為：

式中：Eb為黑體輻射力，W/m2；σb為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，也稱為黑體常數(shù)，σb=5.6710-8W/(m2·K4)；Cb為黑體輻射系數(shù)，Cb=5.67W/(m2·K4)；T為熱力學(xué)溫度，K。

本次所涉及到的輻射能主要為遮陽裝置頂部受到的太陽輻射，將其計(jì)算為熱流量，對(duì)其進(jìn)行仿真。

2 仿真分析

為比較該新型路基結(jié)構(gòu)對(duì)高原凍土路基熱擾動(dòng)性能的研究，對(duì)其進(jìn)行分析，當(dāng)遮擋裝置表面受到1 300 W/m2的熱流量時(shí)，分析此時(shí)改進(jìn)前后路基整體的熱性能，所用材質(zhì)的主要熱物理性質(zhì)如表1所示。本次仿真所使用的空心磚的組成為50%的CaO，35%的SiO2和15%的Al2O3。

表1 所用材質(zhì)的熱物理性質(zhì)

將各材質(zhì)定義后，進(jìn)行仿真，本次仿真結(jié)果為達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的分析結(jié)果，當(dāng)Δt＜10-5℃時(shí)，認(rèn)為仿真結(jié)果趨于穩(wěn)定，圖3為仿真結(jié)果，圖4為根據(jù)仿真結(jié)果制作的溫度分布圖。

圖3 仿真結(jié)果

圖4 溫度分布圖

根據(jù)圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，原有路基受到太陽輻射后，遮陽裝置表面溫度為5℃，凍土層溫度基本保持在-10℃；采用新型路基結(jié)構(gòu)后，遮陽裝置表面溫度為3.67℃，凍土層溫度降低到-13.248℃，改進(jìn)后的新型路基使得凍土層溫度下降3.248℃，整個(gè)溫度分布趨勢(shì)表明新型路基在降低路基溫度上有著更好的表現(xiàn)，因此可以更好地保護(hù)凍土層的路基熱穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

通過對(duì)高原凍土層遮陽裝置進(jìn)行改進(jìn)，分析了遮陽裝置的傳熱熱力學(xué)理論，為改進(jìn)其傳熱通路提供了理論依據(jù)，并據(jù)此，提出改進(jìn)遮陽裝置的方法。通過仿真分析，對(duì)比改進(jìn)前后凍土層路基結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果表明，新型遮陽裝置由于采用了空心磚結(jié)構(gòu)，降低了自身熱導(dǎo)率，使得路基凍土層溫度相較于之前的遮陽裝置溫度下降了3.248℃，對(duì)改善路基熱穩(wěn)定性起到了很好的作用，為高原凍土層路基熱穩(wěn)定性能的提升提供了新的思路。