新型路基結構復合裝置增強高原凍土路基熱穩定性能研究

王明龍

（山西交科公路工程咨詢監理有限公司，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，由于這樣獨特的地理環境影響，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[1-2]。在夏季時，瞬時太陽輻射最高可達1 300 W/m2，高輻射會讓青藏高原上的公路與鐵路的路基熱穩定性受到很大的挑戰。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℃，這樣的環境讓青藏高原大多數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，由于路基對太陽輻射吸收率較高，導致多年凍土退化，引起地基熱擾動，進而降低路面穩定性[3-4]。為了減少路基結構的熱擾動，路基通常修筑在凍土層上，凍土層作為填充層起到穩定路基的作用。因此，保持凍土層穩定，使其堅固耐用，減少路堤的熱增益，從而保持自然地基下的凍土穩定性。可以利用的冷卻方法包括：

a）用碎石塊墊高路基表面。

b）在路基上埋設一系列通風管道。

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，減少太陽輻射對路基的輻射吸收是保持路基凍土層穩定的最有效方法[5-6]。與平原地區的路基不同，高原地區的路基需要遮陽裝置，抵擋部分的太陽輻射，以減輕對凍土層的熱擾動。雖然遮陽裝置在處理凍土層路基降溫方面早已被證實是有效的，但是由于遮陽裝置會被大風吹倒，所以此類裝置很少實際應用，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，通過遮擋陽光減少土壤的熱量吸收，而在寒冷的季節，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）

這個遮擋設備在多風的季節會被大風吹翻，因此實際使用中往往是在遮陽裝置下方鋪設石子層對遮陽裝置進行固定支撐。但是由于現有的遮陽裝置對太陽輻射的吸收率較高，且價格較為昂貴，在實際使用中并沒有很好地發揮遮陽降溫保持路基熱穩定性的作用，因此，本文提出以下替代方案。

保持原有的碎石層，在碎石層上鋪設空心磚。空心磚易于固定，可解決大風將其吹翻的問題，且現階段國內各個金屬礦廠尾礦高溫燒結空心磚技術不斷成熟，在一定程度上對環境保護起到了積極作用，由于采用了空心結構，整體結構的熱導率大大下降，圖2為改進前后的路基形式簡化模型圖，對該結構與原有的結構使用ANSYS Workbench進行熱力學仿真分析，分析改進后的新型路基復合結構對高原凍土層路基熱穩定性的影響。

圖2 改進前后的路基形式

1 熱力學分析基礎理論

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

1.1 導熱

導熱是一種常見的熱傳導現象，是同一物體各部分之間沒有相對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象，導熱是物質的固有屬性，在路基中是主要的熱傳遞方式，太陽能在輻射到路面后，通過導熱的方式傳遞到凍土層部位，由于熱傳導主要與材料自身屬性有關，降低熱導率能夠大大減少熱量的傳遞。平壁熱量的計算公式如式（1）所示。

或熱流密度

式中：A為壁面積，m2；δ為壁厚，m；Δt為壁兩側表面的溫差，℃；λ為比例系數，稱為導熱系數或熱導率。

熱流密度公式為：

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

1.2 熱對流

熱對流是另一種常見的熱量傳遞方式，主要是依靠物體的運動，依靠物質的宏觀運動傳遞熱量，主要存在于氣體和液體中。若熱對流過程中單位時間通過單位面積有質量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)]，則熱對流的熱流密度應為：

但是在大多數環境下，傳熱現象中往往不會只出現熱對流，由于在熱對流中存在溫度差，導致對流換熱的過程中往往也包含有導熱的作用，因此，可以將對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為對流換熱表面的傳熱系數。

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

1.3 熱輻射

熱輻射是物體沒有接觸，依靠自身發出的不可見射線傳遞熱量，與對流導熱不同，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，路基表面單位時間，單位面積所受到的輻射量稱為輻射力，高原地區夏季最高輻射力可以達到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，也稱為黑體常數，σb=5.6710-8W/(m2·K4)；Cb為黑體輻射系數，Cb=5.67W/(m2·K4)；T為熱力學溫度，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，將其計算為熱流量，對其進行仿真。

2 仿真分析

為比較該新型路基結構對高原凍土路基熱擾動性能的研究，對其進行分析，當遮擋裝置表面受到1 300 W/m2的熱流量時，分析此時改進前后路基整體的熱性能，所用材質的主要熱物理性質如表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 所用材質的熱物理性質

將各材質定義后，進行仿真，本次仿真結果為達到穩態時的分析結果，當Δt＜10-5℃時，認為仿真結果趨于穩定，圖3為仿真結果，圖4為根據仿真結果制作的溫度分布圖。

圖3 仿真結果

圖4 溫度分布圖

根據圖3、圖4可以發現，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℃；采用新型路基結構后，遮陽裝置表面溫度為3.67℃，凍土層溫度降低到-13.248℃，改進后的新型路基使得凍土層溫度下降3.248℃，整個溫度分布趨勢表明新型路基在降低路基溫度上有著更好的表現，因此可以更好地保護凍土層的路基熱穩定性。

3 結論

通過對高原凍土層遮陽裝置進行改進，分析了遮陽裝置的傳熱熱力學理論，為改進其傳熱通路提供了理論依據，并據此，提出改進遮陽裝置的方法。通過仿真分析，對比改進前后凍土層路基結構的分析結果表明，新型遮陽裝置由于采用了空心磚結構，降低了自身熱導率，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℃，對改善路基熱穩定性起到了很好的作用，為高原凍土層路基熱穩定性能的提升提供了新的思路。