高原凍土區(qū)單向散熱瀝青路面材料與結(jié)構(gòu)研究中文摘要

在高寒凍土區(qū)全線鋪筑黑色瀝青路面是世界首例和創(chuàng)舉。瀝青路面與凍土互為災(zāi)害根源，屬于國(guó)際難題。隨著全球環(huán)境的退化，高原凍土區(qū)的公路安全正面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。本申請(qǐng)基于青藏高原公路建設(shè)、養(yǎng)護(hù)、再生的常規(guī)技術(shù)，擬通過(guò)對(duì)路面層瀝青材料的微、納米改性技術(shù)，及從復(fù)合體系的導(dǎo)熱有效媒質(zhì)理論出發(fā)，研究設(shè)計(jì)具有單向?qū)峁δ艿臑r青路面層結(jié)構(gòu)和材料,即熱半導(dǎo)體型瀝青路面結(jié)構(gòu)。綜合考慮微納米顆粒的形狀效應(yīng)、物理各向異性，建立單向?qū)釣r青路面模型傳熱學(xué)數(shù)值模型；模擬改性瀝青路面新結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)變化；實(shí)驗(yàn)研究改性瀝青和瀝青混合料在新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中組份選取、配比、導(dǎo)熱參數(shù)變化情況。該功能結(jié)構(gòu)既能阻止太陽(yáng)輻射熱下傳，又能加速路基中多年積熱'的上傳，進(jìn)而減輕高原凍土區(qū)黑色瀝青路面的病害。目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，可為高原凍土區(qū)瀝青路面、路基的的穩(wěn)定性提供新原理，在政治、國(guó)防、經(jīng)濟(jì)方面具重大意義。

基于微分顆粒復(fù)合體系的有效媒質(zhì)理論，我們提出了單向?qū)釣r青路面結(jié)構(gòu)。首先，通過(guò)研究復(fù)合材料導(dǎo)熱的顯微結(jié)構(gòu)特征，建立了考慮界面熱阻的導(dǎo)熱和阻熱熱傳導(dǎo)理論預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)模型表明片狀、微米級(jí)石墨能夠有效增強(qiáng)瀝青混合料的熱導(dǎo)率，而球狀、微米級(jí)漂珠能夠有效降低瀝青混合料的熱導(dǎo)率。 利用ANSYS有限元軟件對(duì)改性混合料的傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明熱量流經(jīng)石墨時(shí)，熱量發(fā)生“越界遷移”效應(yīng); 熱量流經(jīng)漂珠時(shí)，熱量發(fā)生“沿界遷移”效應(yīng)。為解決復(fù)合材料的界面問(wèn)題，采用偶聯(lián)劑對(duì)粉體進(jìn)行表面改性，改性后的粉體與瀝青攪拌，形成改性瀝青膠漿，在集料表面形成瀝青與粉體混合的熱量傳輸網(wǎng)絡(luò)體系。 通過(guò)對(duì)粉體改性瀝青混合料的主要熱物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在低體積含量時(shí)，石墨瀝青混凝土的有效熱導(dǎo)率與石墨含量成線性關(guān)系。例如，當(dāng)漂珠摻量為5%時(shí)，瀝青混凝土的熱導(dǎo)率降低了22.2%，這表明少量漂珠的添加可使瀝青混凝土獲得較好的阻熱性能。 基于IEC標(biāo)準(zhǔn)，研制了試驗(yàn)測(cè)試模型，其絕熱的邊界條件保證了試件測(cè)試的穩(wěn)定性。通過(guò)瀝青膜測(cè)試篩選各面層粉體的配比，優(yōu)選了最優(yōu)比例粉體搭配為上面層10%石墨、中面層10%漂珠和下面層40%漂珠。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)最佳配比試件進(jìn)行3個(gè)循環(huán)的熱效應(yīng)試驗(yàn)，結(jié)果表明試驗(yàn)組測(cè)試試件底部表面溫度比對(duì)照組降低了2.5℃。對(duì)冬季基層熱量釋放模擬的研究表明，實(shí)驗(yàn)組的表面溫度與對(duì)照組相比提高約1.0 ℃，證明了單向散熱試件結(jié)構(gòu)可以有效地增強(qiáng)測(cè)試試件的熱量釋放能力，冷卻試件的底部溫度。 依據(jù)“五道梁”工程背景，通過(guò)ANSYS軟件分析了帶有相變的瀝青公路路基溫度場(chǎng)的變化，結(jié)果表明對(duì)照組路基下多年凍土融土核的厚度降低、融化深度降低、凍結(jié)深度增加，多年凍土的年平均地溫出現(xiàn)下降。因此，所設(shè)計(jì)的單向?qū)釣r青路面結(jié)構(gòu)對(duì)路基具有明顯的降溫效果，有望減緩凍土退化，保護(hù)路基下多年凍土。 總之，通過(guò)改變?yōu)r青路面材料的熱傳導(dǎo)特性，并建立單向散熱層狀路面結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)低吸熱瀝青路面，保護(hù)路基下凍土。由于該項(xiàng)技術(shù)容易結(jié)合常規(guī)瀝青路面建設(shè)、養(yǎng)護(hù)和再生技術(shù)，因而施工容易、建設(shè)成本相對(duì)較低。項(xiàng)目組基本完成計(jì)劃任務(wù)書確定的研究?jī)?nèi)容，申報(bào)國(guó)際專利1項(xiàng)，發(fā)表SCI論文2篇，目前正在開(kāi)展更深入的理論研究以及路用性能的測(cè)試。 2100433B

1　緒論

1.1　引言

1.1.1　凍土研究發(fā)展史

1.1.2　凍土工程研究進(jìn)展

1.1.3　凍土工程病害研究

1.2　國(guó)內(nèi)外高原多年凍土隧道研究現(xiàn)狀

1.2.1　理論研究

1.2.2　隧道工程實(shí)踐

1.2.3　凍土工程應(yīng)用研究

2　昆侖山隧道工程概況

2.1　昆侖山隧道工程概況

2.1.1　工程概況

2.1.2　工程地質(zhì)特征

2.1.3　水文地質(zhì)特征

2.1.4　地應(yīng)力狀態(tài)分析

2.1.5　襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)

2.1.6　防排水及保溫措施

2.2　研究背景

2.2.1　多年凍土隧道開(kāi)挖與襯砌的矛盾

2.2.2　昆侖山隧道滲漏水病害簡(jiǎn)介

.　2.3　昆侖山隧道工程相關(guān)測(cè)試

2.3.1　自然氣溫監(jiān)測(cè)

2.3.2　施工環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)

2.3.3　圍巖收斂監(jiān)測(cè)

2.3.4　襯砌內(nèi)外溫度監(jiān)測(cè)

2.3.5　隧道內(nèi)排水溝流量觀測(cè)和連通試驗(yàn)

2.3.6　地溫及水位測(cè)試

3　移動(dòng)邊界特征計(jì)算的理論與實(shí)際

3.1　移動(dòng)邊界概念

3.2　移動(dòng)邊界計(jì)算的理論基礎(chǔ)

3.3　利用有限元求解移動(dòng)邊界的基本過(guò)程

3.4　移動(dòng)邊界特征計(jì)算模型

3.4.1　有限元模型

3.4.2　移動(dòng)邊界特征計(jì)算模型

3.5　計(jì)算結(jié)果分析

3.5.1　融化深度與網(wǎng)格精度的關(guān)系

3.5.2　融化深度與計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)的關(guān)系

3.5.3　融化深度與臨界阻力距離的關(guān)系

3.5.4　考慮與不考慮移動(dòng)邊界特征的計(jì)算結(jié)果比較分析

3.5.5　昆侖山隧道沖溝的融化特征

4　隧道圍巖溫度場(chǎng)研究

4.1　運(yùn)用微分方程研究隧道圍巖溫度場(chǎng)

4.1.1　一般導(dǎo)熱微分方程

4.1.2　圍巖導(dǎo)熱控制微分方程

4.1.3　邊界條件

4.1.4　圍巖導(dǎo)熱控制微分方程的差分解法

4.1.5　圍巖溫度場(chǎng)計(jì)算程序及參數(shù)

4.1.6　毛洞計(jì)算及結(jié)果分析

4.1.7　初襯后圍巖的溫度場(chǎng)計(jì)算及結(jié)果分析

4.1.8　二襯后圍巖的溫度場(chǎng)計(jì)算及結(jié)果分析

4.1.9　洞內(nèi)氣溫對(duì)圍巖溫度場(chǎng)的影響

4.1.10　原始地溫對(duì)圍巖溫度場(chǎng)的影響

4.1.11　結(jié)果分析

4.2　隧道實(shí)測(cè)溫度資料分析

4.2.1　溫度數(shù)據(jù)處理

4.2.2　數(shù)據(jù)分析

4.3　運(yùn)用隧道圍巖溫度場(chǎng)規(guī)律指導(dǎo)施工

4.3.1　控制圍巖暴露時(shí)間

4.3.2　控制洞內(nèi)空氣溫度

5　多年凍土隧道工程的開(kāi)挖與襯砌

5.1　自然環(huán)境特征

5.2　施工環(huán)境特征

5.3　昆侖山隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征

5.3.1　工程地質(zhì)

5.3.2　水文地質(zhì)特征

5.3.3　地應(yīng)力狀態(tài)分析

5.4　昆侖山隧道開(kāi)挖仿真分析

5.5　瞬態(tài)傳熱分析

5.5.1　有限元模型

5.5.2　邊界條件

5.5.3　參考點(diǎn)的選擇

5.5.4　計(jì)算結(jié)果分析

5.6　施工控制與預(yù)測(cè)方法

5.6.1　圍巖穩(wěn)定評(píng)估子系統(tǒng)

5.6.2　局部崩塌評(píng)估子系統(tǒng)

5.6.3　實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

6　施工溫度場(chǎng)研究及通風(fēng)、供氧技術(shù)

7　濕噴凝土支技及工藝試驗(yàn)研究

8　模筑襯砌混凝土及防水隔熱層施工工藝

9　昆侖山隧道排水技術(shù)試驗(yàn)研究

附件a　昆侖山隧道滲漏水治理方案

參考文獻(xiàn)2100433B

青藏鐵路作為我國(guó)的重大基礎(chǔ)工程受到了世界各國(guó)人民的普遍關(guān)注，其高原缺氧、多年凍土與惡劣的環(huán)境氣候條件給青藏鐵路的修建帶來(lái)了很大的困難，而多年凍土問(wèn)題更是青藏鐵路修建的三大關(guān)鍵技術(shù)難題之一。青藏鐵路格爾木至拉薩段，全長(zhǎng)1118km，多年凍土區(qū)長(zhǎng)度為632km，其中連續(xù)多年凍土區(qū)長(zhǎng)度約550km、島狀不連續(xù)多年凍土區(qū)長(zhǎng)度82km，全線海拔4000m以上地段約為965km。昆侖山隧道位于青藏高原海拔4642m以上的多年凍土區(qū)，是目前世界上在高原多年凍土層這一特殊圍巖環(huán)境條件下修建的最長(zhǎng)隧道工程。本書以鐵道部多個(gè)重點(diǎn)科研項(xiàng)目和昆侖山隧道工程實(shí)際為依托，針對(duì)高原多年凍土隧道施工的工程實(shí)際難題，如多年凍土隧道圍巖溫度場(chǎng)的變化規(guī)律、噴射混凝土黏結(jié)強(qiáng)度、隧道通風(fēng)溫度場(chǎng)、高原供氧、機(jī)械設(shè)備的效率等施工的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，從理論上進(jìn)行了比較深入的研究，并將計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，獲得了一些有益的成果。最后對(duì)昆侖山隧道滲漏水的來(lái)源、路徑、水量進(jìn)行了分析，提出了綜合治理的方案。

近20年來(lái)青藏高原凍土分布的表現(xiàn)是，永凍土在不斷萎縮、季節(jié)凍土不斷增加。凍土相對(duì)面積減少4.3%，約3.1萬(wàn)km²，相應(yīng)的季節(jié)凍土面積增加3.1萬(wàn)km²。由于季節(jié)凍土面積增大、永凍土萎縮、凍土下界上升、凍土溫度上升、季節(jié)凍結(jié)時(shí)間縮短、凍土深度變淺等一系列的退化問(wèn)題，使凍土控制植被成為適應(yīng)寒旱生境的年輕植物區(qū)系、凍土中的大厚度區(qū)域性隔水層及其活動(dòng)層對(duì)水資源的調(diào)節(jié)作用等特殊生態(tài)環(huán)境功能減弱，影響工程建筑穩(wěn)定性的凍脹、融沉地質(zhì)功能增強(qiáng)，從而加速了高寒草場(chǎng)的退化和地表水資源的減少，引發(fā)出更多的凍土區(qū)工程地質(zhì)問(wèn)題。而青藏高原連續(xù)永凍土區(qū)內(nèi)某些融區(qū)的出現(xiàn)，特別是深埋藏永凍土層的發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明這種情況不是偶然的。地面溫度的突變升溫可能來(lái)自地面狀況的改變，如植被的破壞、動(dòng)水被覆蓋等，青藏公路瀝青路面鋪設(shè)以后下覆永凍土的變化是可以檢測(cè)到的最好證明；也可能來(lái)自氣溫的突變，如在十幾米深度處發(fā)現(xiàn)古凍土上限。