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热能转化式路基冻胀控制效果现场试验研究

铁道工程学报 2024年第3期41卷 17-22页

作者：胡田飞张宗凯岳祖润袁一飞赵李旗石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室石家庄050043 石家庄铁道大学石家庄050043

研究目的:为解决季节冻性土区铁路路基冻胀问题,提出一种新型热能转化式路基。通过专用地源热泵系统,收集路基附近地基稳定层的低位地温能,并转化为高位热能,然后传递至路基冻胀层,以实现对路基的主动供热和温度控制,根除冻胀。在准池... 详细信息

研究目的:为解决季节冻性土区铁路路基冻胀问题,提出一种新型热能转化式路基。通过专用地源热泵系统,收集路基附近地基稳定层的低位地温能,并转化为高位热能,然后传递至路基冻胀层,以实现对路基的主动供热和温度控制,根除冻胀。在准池铁路某冻胀区段,建设1段20 m长的热能转化式路基试验段,在2021—2022年冬季测试热泵供热温度、试验段路基和天然路基的温度场、冻结深度、轨道冻胀量等指标的变化情况。研究结论:(1)热泵供热温度峰值可达59.4℃,间歇运行时的日均供热温度达25.2℃以上,热源品位高,起到有利的热源作用;(2)天然路基冻结期持续141 d,试验段路基相比减小了20 d;试验段轨道中心、路肩及坡脚位置的最大冻结深度分别为88 cm、75 cm、58 cm,相比天然路基分别减少了60 cm、122 cm、78 cm,将冻结深度控制在有害临界值以内;(3)天然条件下轨道冻胀量峰值为9.4 mm,形成有害冻胀;而试验段轨道变形量小于±3 mm,未超出经常保养管理值;(4)热能转化式路基对于低路堤、路堑基床、岔区、涵顶等重要部位的顽固性冻胀病害是一种有效的防控手段。

关键词：路基冻胀地温能热泵供热温度温度场冻结深度冻胀量

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季节冻土隧道边墙开裂原因及影响因素研究

铁道工程学报 2018年第11期35卷 61-65,102页

作者：吴剑郑波熊春庚王刚师亚龙中铁西南科学研究院有限公司成都611731 中国铁路总公司北京100844

研究目的:近年来,在我国高纬度季节冻土区,围岩冻胀导致隧道衬砌开裂、春融期渗漏水等病害时有出现,严重影响隧道和列车运营安全。本文以我国西北地区某铁路线隧道为例,采用现场测试、室内试验、数值模拟等手段研究季节冻土区隧道冬季... 详细信息

研究目的:近年来,在我国高纬度季节冻土区,围岩冻胀导致隧道衬砌开裂、春融期渗漏水等病害时有出现,严重影响隧道和列车运营安全。本文以我国西北地区某铁路线隧道为例,采用现场测试、室内试验、数值模拟等手段研究季节冻土区隧道冬季边墙纵向开裂原因及其主要影响因素。研究结论:(1)修建在强风化砂泥岩地层中的隧道,当围岩含水率为12. 3%、围岩冻结深度达60 cm时,在冬季持续负温作用下,边墙最大拉应力为2. 28 MPa,大于C30混凝土的极限抗拉强度,边墙会出现水平冻胀裂缝,若考虑衬砌承担部分围岩荷载,边墙纵向开裂程度会加剧;(2)冻胀力荷载作用下,衬砌开裂具有对称性、季节性、积累性等特点,裂缝在冬季出现,分布在边墙中间位置,气温回升后,具有收缩性;(3)季节冻土区围岩冻胀力荷载计算宜以围岩冻结圈厚度和含水率为主要指标;(4)本研究成果可供季节冻土区隧道设计、运营维护参考。

关键词：铁路隧道围岩含水率冻结深度冻胀力衬砌开裂

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考虑随机裂隙的高寒隧道温度场和保温层研究

铁道工程学报 2020年第9期37卷 54-59页

作者：王志杰李振蔡李斌蒋新政姜逸帆徐海岩西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室成都610031

研究目的:为进一步探究温度场的变化规律和保温层敷设厚度问题,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、理论分析和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立隧道围岩区的随机裂隙模型,研究孔隙率、渗透率、随... 详细信息

研究目的:为进一步探究温度场的变化规律和保温层敷设厚度问题,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、理论分析和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立隧道围岩区的随机裂隙模型,研究孔隙率、渗透率、随机裂隙孔径和水头对温度场的影响,并基于温度场进一步对比解析解和数值模拟的保温层设计厚度。研究结论:(1)径向温度值及其变化速率随围岩孔隙率和渗透率的增大表现为增大趋势,随着随机裂隙孔径和下边界水头的增大,径向温度值表现为增大,变化速率则表现为减小的趋势,孔隙率对温度场影响最大,渗透率对温度场影响最小,径向温度分布规律可用Asymptotic1模型表示;(2)由于随机裂隙和渗流的影响,衬砌和围岩接触面的温度值不完全对称,但总体表现为从拱顶到仰拱逐渐升高;(3)孔隙率和渗透率对冻结深度的影响可用Exp3P2模型表现,随机裂隙孔径和下边界水头对冻结深度的影响可用Exp Dec1模型表现,理论分析和数值模拟结果说明保温层厚度的解析解较数值模拟大;(4)本研究结论可为相关寒区隧道的温度场发展、分布规律和保温层厚度设计提供借鉴或参考。

关键词：高寒隧道随机裂隙冻结深度温度场保温层

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祁连山2种植被下冻土的季节变化及数值模拟

林业科学研究 2016年第4期29卷 596-602页

作者：任璐王顺利于澎涛王彦辉张学陪王彬刘贤德金铭北京林业大学水土保持及荒漠化防治学院北京100083 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所国家林业局生态环境与保护重点实验室北京100091 甘肃省祁连山水源涵养林研究院甘肃张掖734000

[目的]探究祁连山地区冻土的季节性变化以及植被对祁连山季节冻土的影响,建立冻土深度与温度的关系。[方法]对比观测了祁连山排露沟小流域的阴坡青海云杉林下土壤和阳坡草地土壤冻结融化过程,定量分析土壤冻结层随季节的变化。[结果](1... 详细信息

[目的]探究祁连山地区冻土的季节性变化以及植被对祁连山季节冻土的影响,建立冻土深度与温度的关系。[方法]对比观测了祁连山排露沟小流域的阴坡青海云杉林下土壤和阳坡草地土壤冻结融化过程,定量分析土壤冻结层随季节的变化。[结果](1)祁连山区季节性冻土每年10月中下旬开始冻结,4月冻土层上界面开始融化,8月消融完毕。该冻结融化过程可划分为单向冻结、单向融化和双向融化3个阶段段。(2)青海云杉林内土壤的冻结起始时间与草地土壤基本相同,但冻结速率比草地快,最大冻结深度比草地大;青海云杉林土壤冻结层融化阶段的起始时间亦与草地基本相同,融化速率相近,但青海云杉林下冻土融化持续的时间更长。(3)积温决定土壤冻结融化进程,当冻结小时积温达到约-460℃·h,土壤开始冻结;当小时积温达到约62℃·h,土壤冻结层的上界面开始融化。[结论]土壤冻结层深度与小时积温的相关系数达到0.9以上,可用于预测预报冻土的冻结状态。

关键词：祁连山生态水文冻土冻结深度植被

川西高海拔隧道洞内气温特征及抗防冻理念探讨

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隧道建设（中英文） 2024年第9期44卷 1771-1782页

作者：郑波吴剑袁明郑金龙郭瑞中铁西南科学研究院有限公司四川成都611731 中铁投资集团有限公司北京100055 四川省公路规划勘察设计研究院有限公司四川成都610041

针对川西高海拔隧道抗防冻设计问题,对运营期公路隧道洞内气温采用实测和数值模拟等方法,对隧道洞内纵向温度特征及抗防冻设计方法进行研究。结果表明:1)川西高原较短隧道冬季洞内纵向温度呈负温贯通状态,长隧道、特长隧道的洞内纵向温... 详细信息

针对川西高海拔隧道抗防冻设计问题,对运营期公路隧道洞内气温采用实测和数值模拟等方法,对隧道洞内纵向温度特征及抗防冻设计方法进行研究。结果表明:1)川西高原较短隧道冬季洞内纵向温度呈负温贯通状态,长隧道、特长隧道的洞内纵向温度呈现出弱对称或非对称分布特征。2)冬季隧道洞口温度及洞身负温分布状态与隧道自身所处环境有关,尤其是隧道两端地形特征及高差程度。3)洞口负温段冻结指数和年冻结天数均随进洞距离的增大呈减小趋势,但单向自然风占主导的隧道下降趋势较缓。4)川西高原隧道衬砌防冻设计宜结合围岩冻胀敏感性,考虑以冻结指数180℃·d为临界值较为合理,两侧水沟保温设防长度可按月平均气温0℃考虑;考虑到冻结指数大于180℃·d且月平均气温低于0℃的衬砌段落会经受短时频繁冻融循环作用的影响,建议采取必要措施改善混凝土耐久性指标,确保隧道衬砌结构的长期稳定性。

关键词：高海拔隧道纵向温度场抗防冻设计现场监测数值模拟冻结指数冻结深度

流体加热融雪系统运行对道路结构温度分布特性影响分析

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北京工业大学学报 2024年第4期50卷 385-395页

作者：徐慧宁石浩谭忆秋周纯秀哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨150090 大连海事大学交通与物流工程学院大连116026

为了明确流体加热道路融雪系统运行对道路结构短期/长期温度分布特性的影响,利用室外足尺试验系统对比分析了普通水泥混凝土路面结构与流体加热道路融雪系统道路结构在温度、温变速率及温度梯度分布特性等方面的差异,阐明了系统运行对... 详细信息

为了明确流体加热道路融雪系统运行对道路结构短期/长期温度分布特性的影响,利用室外足尺试验系统对比分析了普通水泥混凝土路面结构与流体加热道路融雪系统道路结构在温度、温变速率及温度梯度分布特性等方面的差异,阐明了系统运行对道路结构短期/长期温度分布特性的影响规律。结果表明:融雪系统运行初期,快速上升的流体温度对管壁-路面材料界面存在强烈的温度冲击作用;随着系统持续运行,管壁-路面材料界面的温变速率逐渐减小并趋于稳定,且小于普通路面最大温变速率;同时,融雪系统的运行增大了路面结构内部的温度梯度,改变了路面结构一定深度范围内的热量传递方向。融雪系统道路结构年周期温度分布的观测结果表明:融雪系统的运行可在较短的时间内释放大量热能,降低了道路结构内部热量的散失,有效延缓了季节性冰冻地区冬季道路结构温度的降低及冻结深度的发展。

关键词：道路工程流体加热融雪系统道路结构温变速率温度梯度冻结深度

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寒区长大隧道温度实测与仿真

北京交通大学学报 2017年第1期41卷 49-55页

作者：高焱朱永全辛浩西南交通大学土木工程学院成都610031 石家庄铁道大学土木工程学院石家庄050043

基于现场实测数据对寒区长大隧道内温度的变化规律进行了分析,基于数值仿真分析对不同环境气温、围岩原始地温、自然风速、列车运行速度和频率条件下隧道洞内温度场和冻结深度的变化规律及保温层的适用范围进行了研究.研究结果表明:若... 详细信息

基于现场实测数据对寒区长大隧道内温度的变化规律进行了分析,基于数值仿真分析对不同环境气温、围岩原始地温、自然风速、列车运行速度和频率条件下隧道洞内温度场和冻结深度的变化规律及保温层的适用范围进行了研究.研究结果表明:若环境气温或围岩原始地温低,自然风速大,或列车运行速度大和运行频率高,则洞内可能出现负温分布,所以寒区长大隧道结构防寒不应仅在洞口段;保温层法不能完全解决寒区长大隧道洞口保温问题,当环境气温低于15℃,持续冻结时间超过45d时,需要采取主动保温措施.

关键词：铁路隧道长大隧道寒冷地区温度场冻结深度保温技术

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国外计算冻结或融化深度公式概述

冰川冻土 1983年第2期 85-95页

作者：刘铁良铁道部科学研究院西北研究所

本文根据B.A.库德里亚夫采夫分类法,对国外四种类型计算天然土层季节冻结或融化深度公式作以简介和评论。根据文献记载,截止1974年,国外计算天然条件下湿土冻结或融化深度的公式,已有一百多个。对于这一课题的研究,苏联(包括帝俄时代在... 详细信息

本文根据B.A.库德里亚夫采夫分类法,对国外四种类型计算天然土层季节冻结或融化深度公式作以简介和评论。根据文献记载,截止1974年,国外计算天然条件下湿土冻结或融化深度的公式,已有一百多个。对于这一课题的研究,苏联(包括帝俄时代在内)大约已有一百多年的历史。美国、加拿大、日本国和蒙古人民共和国也都有几十年的历史了。直到今天,苏联仍处领先地位。

关键词：冻结深度水分迁移气象台站计算结果融化深度

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青藏粉土单向冻结冻胀率变化特性研究

冰川冻土 2016年第2期38卷 409-415页

作者：王永涛王大雁郭妍雷乐乐顾同欣中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

开展了饱和青藏粉土在开放系统不同温度梯度条件下的单向冻结试验,对冻结过程中冻结深度和冻胀速率的发展变化过程进行了研究.结果表明:不同顶板温度下,土样均在25 h左右达到冻结稳定状态,之后冻结深度基本不再发生变化.土样冻结过程中... 详细信息

开展了饱和青藏粉土在开放系统不同温度梯度条件下的单向冻结试验,对冻结过程中冻结深度和冻胀速率的发展变化过程进行了研究.结果表明:不同顶板温度下,土样均在25 h左右达到冻结稳定状态,之后冻结深度基本不再发生变化.土样冻结过程中,冻胀速率表现为快速减小、较小值保持稳定、快速增大、较大值保持稳定四个阶段.基于以上试验结果,对土样冻结过程中冻胀率的变化过程进行了研究,发现冻胀率随冻结深度的增加先减小后增加,冻胀率从减小变为增大的时刻就是冻结深度趋于稳定的时刻,而冻胀率快速增大的时刻为冻胀速率进入较大值保持阶段的时刻.冻胀率变化的内在机理为土样冻结过程中由冰透镜体分凝所导致的未冻区固结和已冻区冻胀共同作用的结果.

关键词：单向冻结冻结深度冻胀速率冻胀率冰分凝