风沙块石层水热物理参数及对块石路基的影响研究

作     者：程露 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩风雷

授予年度：2024年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：风沙填堵块石 导热系数 渗透系数 预测模型 冻土工程 

摘      要：随着青藏工程走廊沿线线路带的密集程度增加,加之人类活动频繁、全球气候变暖等因素影响,使得多年冻土区的生态环境开始退化,引起近地表风沙加剧。外界空气流动使得风沙填堵块石层间孔隙,改变了块石层的多孔介质结构,将其变为风沙和块石二元混合物,水热物理参数也随之发生变化。目前在块石路基的研究中,大部分学者都采用经验模型计算水热物理参数,由于缺乏实测数据导致与实际情况相差较大,且水热物理参数决定着外界热量的传递能力,直接影响下部冻土路基和周围冻土环境的水热响应,影响冻土上限和冻土温度的演变规律,对寒区块石路基的稳定性有较大影响。基于此,开展对风沙块石二元混合介质的实验研究。本文利用室内试验和理论推导的方法,对风沙块石层的水热物理参数进行研究,为数值分析提供参数支撑。通过模型试验研究风沙块石层的传热特性,利用理论模型推导出适用于寒区风沙块石层的导热系数模型,设计室内试验探究风沙块石层的渗透特性,根据渗透系数推导渗透方程。采用数值模拟的方法建立块石路基数值模型,分析有无风沙填堵对块石路基的冻土上限和冻土温度的影响。本文的主要结论如下: （1）研究不同含水率条件下风沙填堵块石层的传热特性,冻融循环条件下对模型进行数据采集,研究温度和热流密度的特性,利用傅立叶公式计算出导热系数值。试验结果表明:风沙块石层的温度与环境温度趋势一致,不同厚度的温度响应具有滞后性,随含水率增加温度响应加剧,冻结时温度振幅小于融化时;热流密度随埋深的增加而减小,随含水率的增加逐渐增大;干燥时导热系数稳定在0.67W·m-1·℃-1左右,风沙块石层导热系数随含水率的增加而增大,且冻结状态大于融化状态,导热系数随温度升高而下降。 （2）在室内模型试验测得风沙块石层导热系数的基础上,通过传统导热系数模型,并引入细观尺度模型推导出适用于风沙块石层的导热系数公式,分析6种导热系数模型的绝对误差和相对误差。对比发现:细观尺度模型最适用于寒区冻土路基风沙块石层,相对误差在10%以内。并根据灰色关联度计算各种影响因素对导热系数模型的影响程度,含沙量孔隙率含水率温度。 （3）通过自主设计可变水头的渗流试验装置,对风沙块石二元混合物进行配比设计,研究不同含石率（30%-70%）和不同孔隙率（0.3-0.5）的渗透系数变化,设计10组试验。试验结果表明:含石率和孔隙率的增加会使风沙块石二元混合物的渗透系数增大,渗透系数与含石率之间存在指数关系,与孔隙比函数e31+e呈正比关系,且含石率≤40%时渗流符合达西线性定律,当含石率≥60%时,渗流符合Forchheimer型的二次非线性渗流。 （4）基于寒区冻土工程路基的冻土退化,利用实测导热系数和渗透系数,建立块石路基计算模型,研究无风沙填堵块石路基、干风沙填堵块石路基、5%含水率风沙填堵和15%含水率风沙填堵块石路基4种工况,数值分析表明:开放状态下块石路基的冷却作用可以抵消气候变暖的负面影响,被风沙填堵后,块石层无法再维持多年冻土地基的稳定性,风沙填堵对下伏冻土路基温度的影响程度大于冻土上限,随着孔隙率的降低,路堤低温区逐渐减小甚至消失,降低了路基的冷却作用。