新型路基结构复合装置增强高原冻土路基热稳定性能研究

王明龙

（山西交科公路工程咨询监理有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

青藏高原处于北纬25° ～40°，海拔超过4 000 m，空气稀薄，由于这样独特的地理环境影响，使其成为全世界仅次于撒哈拉大沙漠的第二高太阳辐射地区[1-2]。在夏季时，瞬时太阳辐射最高可达1 300 W/m2，高辐射会让青藏高原上的公路与铁路的路基热稳定性受到很大的挑战。由于海拔较高，海拔每升高100 m气温下降0.6℃，因此，青藏高原与上海市处于同一纬度，但年平均气温却降低了约25℃，这样的环境让青藏高原大多数路基处于多年冻土层上。多年冻土地表在修筑公路或铁路时，由于路基对太阳辐射吸收率较高，导致多年冻土退化，引起地基热扰动，进而降低路面稳定性[3-4]。为了减少路基结构的热扰动，路基通常修筑在冻土层上，冻土层作为填充层起到稳定路基的作用。因此，保持冻土层稳定，使其坚固耐用，减少路堤的热增益，从而保持自然地基下的冻土稳定性。可以利用的冷却方法包括：

a）用碎石块垫高路基表面。

b）在路基上埋设一系列通风管道。

c）增加路基表面的反射率。

d）在路堤上插入热虹吸管以排除地面热量。

e）在路基表面安装遮挡装置，使路基免受日晒。

f）以上多种方式的组合。

由于土壤获得热量的主要来源是太阳辐射，因此，减少太阳辐射对路基的辐射吸收是保持路基冻土层稳定的最有效方法[5-6]。与平原地区的路基不同，高原地区的路基需要遮阳装置，抵挡部分的太阳辐射，以减轻对冻土层的热扰动。虽然遮阳装置在处理冻土层路基降温方面早已被证实是有效的，但是由于遮阳装置会被大风吹倒，所以此类装置很少实际应用，特别是在青藏铁路中。一般情况下，遮阳装置是在路堤坡上方0.5～1.0 m处放置类似于屋顶板的装置。在温暖的季节，通过遮挡阳光减少土壤的热量吸收，而在寒冷的季节，土壤的热量是通过遮阳装置底部与路堤斜坡之间的间隙中的空气对流排出，具体方式如图1所示。

图1 高原路基一般形式（单位：cm）

这个遮挡设备在多风的季节会被大风吹翻，因此实际使用中往往是在遮阳装置下方铺设石子层对遮阳装置进行固定支撑。但是由于现有的遮阳装置对太阳辐射的吸收率较高，且价格较为昂贵，在实际使用中并没有很好地发挥遮阳降温保持路基热稳定性的作用，因此，本文提出以下替代方案。

保持原有的碎石层，在碎石层上铺设空心砖。空心砖易于固定，可解决大风将其吹翻的问题，且现阶段国内各个金属矿厂尾矿高温烧结空心砖技术不断成熟，在一定程度上对环境保护起到了积极作用，由于采用了空心结构，整体结构的热导率大大下降，图2为改进前后的路基形式简化模型图，对该结构与原有的结构使用ANSYS Workbench进行热力学仿真分析，分析改进后的新型路基复合结构对高原冻土层路基热稳定性的影响。

图2 改进前后的路基形式

1 热力学分析基础理论

该遮阳装置是典型的大平壁导热问题。在遮阳装置中与路基部分的主要热传导方式为热辐射；在碎石层中，由于大量空气的存在，主要热传导方式为热对流传导；在遮阳装置表面，由于受到太阳辐射，是整个系统的热输入部位，主要的传热方式为热辐射与空气在此表面的对流传热。为了对其进行数值计算，先介绍3种传热基本方式的数值计算方法。

1.1 导热

导热是一种常见的热传导现象，是同一物体各部分之间没有相对位移或者不同物体之间接触后，因接触部分的原子、离子、分子等自由接触引起的热量传递现象，导热是物质的固有属性，在路基中是主要的热传递方式，太阳能在辐射到路面后，通过导热的方式传递到冻土层部位，由于热传导主要与材料自身属性有关，降低热导率能够大大减少热量的传递。平壁热量的计算公式如式（1）所示。

或热流密度

式中：A为壁面积，m2；δ为壁厚，m；Δt为壁两侧表面的温差，℃；λ为比例系数，称为导热系数或热导率。

热流密度公式为：

由于传热比例系数λ与热阻Rt均为物质本身的固有属性，那么，在确定了物质种类后，即可确定其传热比例系数λ与热阻Rt。因此，降低遮阳装置热传导比例系数是解决冻土层升温导致热稳定性降低的有效手段。

1.2 热对流

热对流是另一种常见的热量传递方式，主要是依靠物体的运动，依靠物质的宏观运动传递热量，主要存在于气体和液体中。若热对流过程中单位时间通过单位面积有质量M[kg/(m2·s)]的流体由温度t1的地方流到t2处，其比热容为cp[J/(kg·K)]，则热对流的热流密度应为：

但是在大多数环境下，传热现象中往往不会只出现热对流，由于在热对流中存在温度差，导致对流换热的过程中往往也包含有导热的作用，因此，可以将对流换热基本方程定义为：

式中：tw为固体壁表面温度，℃；tf为流体温度，℃；Δt为壁面与流体温度差，℃；h为对流换热表面的传热系数。

对于该模型，在碎石层中主要存在对流换热传热方式，由于改进前后的碎石层相同，所以，对流传热在本次分析中为定量，不作为主要分析对象展开讨论。

1.3 热辐射

热辐射是物体没有接触，依靠自身发出的不可见射线传递热量，与对流导热不同，热辐射没有任何接触，主要存在于宇宙空间中。本次研究的热量来源为太阳辐射，路基表面单位时间，单位面积所受到的辐射量称为辐射力，高原地区夏季最高辐射力可以达到1 300 W/m2，可以将辐射力用E来表示，它的常用单位是J/(m2·s)，或W/m2，它满足斯蒂芬-玻尔兹曼定律：

式（6）也可写为：

式中：Eb为黑体辐射力，W/m2；σb为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，也称为黑体常数，σb=5.6710-8W/(m2·K4)；Cb为黑体辐射系数，Cb=5.67W/(m2·K4)；T为热力学温度，K。

本次所涉及到的辐射能主要为遮阳装置顶部受到的太阳辐射，将其计算为热流量，对其进行仿真。

2 仿真分析

为比较该新型路基结构对高原冻土路基热扰动性能的研究，对其进行分析，当遮挡装置表面受到1 300 W/m2的热流量时，分析此时改进前后路基整体的热性能，所用材质的主要热物理性质如表1所示。本次仿真所使用的空心砖的组成为50%的CaO，35%的SiO2和15%的Al2O3。

表1 所用材质的热物理性质

将各材质定义后，进行仿真，本次仿真结果为达到稳态时的分析结果，当Δt＜10-5℃时，认为仿真结果趋于稳定，图3为仿真结果，图4为根据仿真结果制作的温度分布图。

图3 仿真结果

图4 温度分布图

根据图3、图4可以发现，原有路基受到太阳辐射后，遮阳装置表面温度为5℃，冻土层温度基本保持在-10℃；采用新型路基结构后，遮阳装置表面温度为3.67℃，冻土层温度降低到-13.248℃，改进后的新型路基使得冻土层温度下降3.248℃，整个温度分布趋势表明新型路基在降低路基温度上有着更好的表现，因此可以更好地保护冻土层的路基热稳定性。

3 结论

通过对高原冻土层遮阳装置进行改进，分析了遮阳装置的传热热力学理论，为改进其传热通路提供了理论依据，并据此，提出改进遮阳装置的方法。通过仿真分析，对比改进前后冻土层路基结构的分析结果表明，新型遮阳装置由于采用了空心砖结构，降低了自身热导率，使得路基冻土层温度相较于之前的遮阳装置温度下降了3.248℃，对改善路基热稳定性起到了很好的作用，为高原冻土层路基热稳定性能的提升提供了新的思路。