块石路堤上覆砂砾石厚度对冻土路基冷却效果的影响研究

第24卷第13期岩石力学与工程学报Vol.24No.132005年7月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJuly，2005块石路堤上覆砂砾石厚度对冻土路基冷却效果的影响研究1，211，2王爱国，马巍，吴志坚(1.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；2.中国地震局兰州地震研究所，甘肃兰州730000)摘要：用数值模拟的方法得到不同上覆砂砾石厚度的块石路堤及普通路堤作用下铁路路基的温度场，通过对比分析显示：块石路堤相对于普通路堤能明显提高路基下多年冻土上限，降低多年冻土地温，有较强的主动制冷作用；块石上覆砂砾石厚度的增加，会减弱块石的制冷作用，降低路基多年冻土上限；当砂砾石大于某一厚度时，中部一定范围的块石几乎丧失主动制冷能力，多年冻土地温逐渐升高，这对路基稳定及冻土保护极为不利。考虑全球气候变暖趋势及高路堤带来的高荷载影响，建议块石路堤上覆砂砾石不要太厚，应寻求制冷与多年冻土上限抬升两者兼得的最优厚度。关键词：土力学；块石路堤；冷却效果；青藏铁路；数值模拟中图分类号：TU445文献标识码：A文章编号：1000–6915(2005)13–2333–09STUDYONINFLUENCEOFSAND-AND-GRAVELLAYERTHICKNESSUPBLOCK-STONERAILWAYEMBANKMENTONCOOLINGEFFECTOFFROZEN-SOILFOUNDATION1，211，2WANGAi-guo，MAWei，WUZhi-jian(1.StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering，ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute，ChineseAcademyofSciences，Lanzhou730000，China；2.LanzhouSeismologicalInstitute，ChinaEarthquakeAdministration，Lanzhou730000，China)Abstract：Inblock-stoneembankmentconstructionofQinghai—Tibetrailway，differentthicknessesofuppersand-and-gravellayerandsamethicknessofblock-stonelayerwereusedindifferentrailwaysegmentduetotheunevenlandform.Bynumericalstimulation，thetemperaturedistributionwereobtainedincommonembankmentandblock-stoneembankmentwithuppersand-and-gravellayerindifferentthicknesses.Thecomparativeanalysesshowthatblock-stoneembankmenthaswellactivecoolingeffectontherailwayfoundationbyraisingthepermafrosttableanddecreasingthepermafrosttemperature，andthevariationofuppersand-and-gravellayerthicknesshasalsogreatinfluenceontheactivecoolingeffect.Thethickertheuppersand-and-gravellayeris，thesmallerthetemperaturevariationmagnitudeonthetopofblock-stonelayerconductedfromtheembankmentsurfaceis，whichwillslowdowntheconvectionspeedoftheairinblockstoneandweakenthecoolingabilityofblockstone.Althoughthepermafrosttableunderthecenteroftheembankmentliftsupwiththickerupper收稿日期：2004–03–15；修回日期：2004–06–07基金项目：国家重点基础研究发展规划973项目(2002CB412704)；国家自然科学基金重大项目(90102006)；中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX1–SW–04)作者简介：王爱国(1972–)，男，1994年毕业于兰州大学地质系，现任副研究员，主要从事寒区工程、冻土力学和工程地震等方面的研究工作。E-mail：waguo@lzb.ac.cn。 •2334•岩石力学与工程学报2005年sand-and-gravellayer，thecostisthefrozenintensitydecreasingofthepermafrostandthedissipationofcoldgeneratedbytheblockstoneneartheembankmentfoot.Ontheconditionsgivenbythemodel，thecoolingabilityofblockstoneisstrongerthanthatofheatdisturbancecausedbyembankmentconstructionwhenthethicknessofuppersand-and-gravellayerislessthan6morlargerthan9.5m.Thecoolingofblockstoneneartheembankmentfootandthecoldsupplyingofaroundpermafrostcannotcounterweightheheateffectofembankmentanymoreandthepermafrosttableunderthecenteroftheembankmentwillgodowngradually.Insum，theincreaseinthethicknessofuppersand-and-gravellayerwillweakentheactivecoolingabilityofblockstoneandlowerthepermafrosttablebeneaththerailwayembankment，andwhilethethicknessexceedsacertainnumberthemiddlezoneofblockstonewillalmostlossthecoolingcapabilityandthusleadtoanincreaseofpermafrosttemperature，whichisdisadvantageoustothestabilityofrailwayembankmentandtheprotectionofcoldground.Consideringthewarmtendencyofglobalclimateandtheheavyloadofhighembankment，wesuggestthediscussionofthicksand-and-gravellayeruptheblock-stoneembankmentandseekinganoptimalthicknessofuppersand-and-gravellayerandblockstonelayerinconstruction.Keywords：soilmechanics；block-stonerailwayembankment；coolingeffect；Qinghai—Tibetrailway；numericalsimulation30.0m处于热平衡状态，即没有热量的流入流出，1引言同时假设路堤的修建对路堤中心41.0m以外几乎无影响。块石路堤结构示意图见图1。在对比分析中，[1～7][8～11]国内外许多施工实例及试验、数值模拟计算了砂砾石厚度1.0，1.5，2.0，2.5，3.5，4.5，均表明块(碎)石为一种价格低廉、施工方便的路基5.5，6.0，6.5，7.5，8.5，9.5，10.5m共13种情况，[12]同时计算了与砂砾石厚度3.5m情况等同路堤高度材料。由于其大孔隙中空气的Balch效应，由该种材料组成的各种结构路堤均能在不同程度上抬升的普通路堤下温度场的变化作为对比。多年冻土上限，降低地温。在我国，长1118km的[13]青藏铁路有632km将穿越多年冻土地段，面对高温冻土及全球气候转暖导致的青藏高原年平均气温升高的严峻挑战，文[13～15]提出了“主动冷却路基”的设计思想及手段来积极保护冻土。块(碎)石结构路堤自然也就成为青藏铁路应用最为广泛的主要技术手段之一。由于铁路对路面坡度的严格要求，在青藏铁路施工过程中对不同坡度地段采用了不同高度的路堤。对于块石路堤结构，这种路堤高度的增加，主要通过改变块石路堤块石层上覆砂砾石层的厚度来实现。本文采用数值模拟的方法，对图1块石路堤结构示意图砂砾石层厚度变化在冻土路基温度分布中的影响进Fig.1Structureofblock-stoneembankment行定性分析，以期为青藏铁路的设计及施工提供一定理论参考。由于是理论上分析砂砾石厚度的影响，计算中忽略了路堤阴阳坡面的热差异，采用了对称模型。2计算模型除块石层及道渣层考虑传导及空气的热对流外，其他层均只考虑传导导热。这里采用的块石路堤结构如图1所示，从下至2.1块石及道渣层控制方程上共分5个区。在计算中，Ⅰ区为弱风化岩层，Ⅱ渗流力学理论给出流体的渗流雷诺数为区为亚粘土层，Ⅲ区为块石层，Ⅳ区为砂砾石层，ρdVⅤ区为道渣层。计算范围取天然地表以下30.0m深Re=(1)ψµ度，路堤中心以外41.0m范围，并假设天然地表以下 第24卷第13期王爱国等.块石路堤上覆砂砾石厚度对冻土路基冷却效果的影响研究•2335•式中：ρ为流体密度，d为固体颗粒粒径，V为流块石路堤设计时也要考虑块石的最小粒径。对于青速，ψ为孔隙度，µ为流体粘滞系数。藏高原日气温变化在十几甚至几十摄氏度的情况当Re＜5时，达西定律是适用的；反之，当下，青藏铁路所采用的大粒径块石孔隙内的空气都[16]Re＞5时，达西定律就不再适用渗流流体。对于能产生自然对流。块石路堤中的空气，以青藏高原为例，取空气密度[12]考虑块石的烟囱效应，在计算中对块石及道3－5ρ0=0.641kg/m，流体粘滞系数µ=1.75×10kg/渣层进行垂直分区，限制各分区在水平方向速度的(m·s)，孔隙度ψ=0.4。Goering和Kumar对于3cm传递，并将空气流动简化为自然对流，同时设空气－3碎石组成的路堤通过模拟计算给出Vmax≈4×10和相邻块石骨架之间能瞬间达到局部热平衡，对空[8]m/s，颗粒尺寸越大，速度值也相应增大。当取d=气作Boussinesq近似，即把流体看成是不可压缩3cm时，Re=110，该值远大于达西定律的适用范的，因此，其控制方程为围，而实际采用的块石路堤，颗粒粒径一般大于3(1)连续性方程：cm，其雷诺数更大。因此，块石路堤中的空气流∂u∂v+=0(5)动不能当达西流看待。∂x∂y另外，对于空气最大流速的估计，在假定空气(2)动量方程：为达西流的条件下，垂直速度Vy为2∂u∂u1dp∂uk∂pu+v=−+µ2(6)Vy=−+ρ0g[1−β(T−T0)](2)∂x∂yρdx∂yµ∂y2∂v∂v1dp∂v式中：p为空气压力，β为空气热膨胀系数。u+v=−−g+µ2=∂x∂yρdy∂x按青藏高原一般情形，估算得出的V值量级为2－2∂v10m/s，由此得出的Re值更是远大于5。因此，βg(T−T)+µ(7)∞2∂x达西流的假设是不成立的。对于边长为L的方块孔隙，其内空气的状况决(3)能量方程：定于空气的瑞利数Ra，Ra定义为块石路基中能量方程应将固体和气体分开考23虑，然后合并。考虑到两者的体积百分比，可得ρCβgL∆TpRa=(3)λµ①路基中固体导热的能量方程为式中：∆T为上下表面温度差，λ为空气热传导系∂T2(1−φ)(ρc)=(1−φ)k∇T(8)ss数。∂t当Ra＜Rac1(临界值)时，空气是静止不动的；②路基中气体导热的能量方程为当Ra＞Rac时，空气开始发生对流，其对流的分叉1∂T2φ(ρc)+(ρc)(V⋅∇)T=φk∇T(9)数决定于不同的临界值Rac。文[17]通过计算得到fffn∂tRac的解析解，其中Rac=39.48，即当Ra＞39.48n1③总体能量方程为时，孔隙内空气就能产生自然对流。∂T对于青藏高原块石路堤孔隙中的空气，以一般2(ρc)+(ρc)(V⋅∇)T=k∇T(10)tft∂t情况下单个孔隙来研究时，有Ra=4.231×107L3∆T(4)式中：(ρc)为等效容积热容量，且(ρc)=φ(ρc)+ttf(1−φ)(ρc)；k为等效热传导系数，且k=φk+(1−使空气发生自然对流的最低温度差为：L=1cmsttfφ)k。时，∆T=0.933℃，温度梯度为93.3℃/m；L=s1cm[10，11]2.2介质参数及边界条件、初始条件2cm时，∆T=0.117℃，温度梯度为5.85℃/m；2cm2.2.1介质传导系数及容积热容量的确定L=3cm时，∆T=0.035℃，温度梯度为1.1553cm℃/m；L=4cm时，∆T=0.015℃，温度梯度为应用显热容法，可假设相变发生在温度区间4cm**[T−∆T，T+∆T]，当建立等效比热时，应考虑0.375℃/m；L=5cm时，∆T=0.0075℃，温mm5cm*度梯度为0.15℃/m。温度间隔∆T的效应，假设介质在正冻、未冻时的可以看出，在无外力驱动情况下，孔隙直径小容积热容量分别为Cf和Cu，热传导系数分别为λf**于2cm时，发生空气的自然对流是很困难的，所以和λu，而且都不取决于温度，则C和λ的表达式为 •2336•岩石力学与工程学报2005年C(T＜(T−∆T*))2ππfmT3=1.5+15sint+(15)8760×36002*LCf+Cu**C=*+((Tm−∆T)≤T≤(Tm+∆T))根据模型简化条件，模型侧边水平向绝热。地2∆T2*基初始温度确定时，对无路堤模型在地表施加温度C(T＞(T+∆T))umT进行n年计算，直到地温场逐年几乎无变化，此(11)1*时的最终地温场作为初始模拟地温场。对路堤整体λ(T＜(T−∆T))fm加初始温度8℃。λu−λf*λ+[T−(T−∆T)]*f2∆T*mλ=(12)**3结果对比分析((Tm−∆T)≤T≤(Tm+∆T))*λ(T＞(T+∆T))um3.1温度场特征对比分析各介质热力学参数见表1。图2为普通路堤及块石路堤不同砂砾石厚度情况下路基运营到第10年(温度场基本稳定后)的1月表1块石路基结构中各介质的热力学参数1日、4月1日、7月1日、10月1日地温场对比。Table1Thermodynamicparametersofvariousmedia从图2中可以看出，普通路堤的修筑在给定边界条λfλuCfCuL介质－1－1－1－1－3－1－3－1/(J·m－3)件下，会给路基带来很大的热扰动，一方面使路基/(W·m·℃)/(W·m·℃)/(J·m·℃)/(J·m·℃)道渣0.3460.3461.006×1061.006×106下多年冻土层地温比天然状况显著升高；另一方面666使路基在冬季仍存在很大的融化盘。而块石路基的砂砾石1.9801.9191.913×102.227×1020.4×10修筑，能在抑制多年冻土层地温升高和缩小融化盘66块石层0.3870.3871.015×101.015×10范围这两方面起到很好的效果，表明了块石的制冷666亚粘土1.3511.1251.879×102.357×1060.3×10作用。弱风化666岩1.8241.4741.846×102.099×1037.7×10当砂砾石层厚度小于2m时，路基下活动层中的融化盘基本被消除；当砂砾石层厚度等于2m时，2.2.2空气性质的确定融化盘又开始出现，并随着砂砾石厚度的增加而扩在海拔4500多米高度，空气定压比热C=1.004大。当砂砾石厚度小于等于4.5m时，在10月份路a－2kJ/(kg·℃)，热传导系数λ=2.0×10W/(m·℃)，基中心多年冻土层中出现低温盘，并随砂砾石厚度a－5动力粘滞系数µ=1.75×10kg/(m·s)。由于密度ρ的减小，低温盘温度也越低；而当砂砾石厚度大于随温度变化，控制热对流的方向性，这里取研究区4.5m时，路基中心下多年冻土层的低温盘消失，同温度变化范围内的2个温度点对应的密度确定空气时，多年冻土层温度开始升高，低温盘开始偏离路3密度的变化，即ρ－15℃=0.677kg/m，ρ15℃=0.605基中心向路堤坡脚移动。这种现象随砂砾石厚度的3kg/m，其他温度时的空气密度根据2个点确定的增加而愈加明显，说明砂砾石厚度增加，降低了路ρ-T线性关系确定。基中心块石的降温效果。2.2.3边界条件及初始条件的确定表2给出了各种路堤状况下路堤中心与路堤坡模拟以海拔4500m处的路基结构为计算模型，脚两处天然地表下1.5和5.0m不同深度点第10年假设路基于8月1日完成。忽略气候变暖及日气温(在普通路堤及不同砂砾石层厚度的块石路堤条件变化的影响，对于天然地表年平均气温为－4℃的下年温度场基本达到稳定)的温度值。从表2中可以情况，根据附面层理论，天然地表的温度变化规律看出，地下温度变化的高温期相对于地表的高温期为有相当长时间的滞后，深度越大，砂砾层厚度越大，2ππ滞后时间越长；路堤中心比路堤边坡下滞后时间长。T1=−1.5+12sint+(13)8760×36002砂砾石厚度的增加对地温的影响除1.5和5.5m两个路堤和道床斜坡的温度变化规律为厚度有突变外，总体趋势是随砂砾石厚度的增加，2ππ地温非线性抬升；边坡附近变化幅值小，只有0.5℃T2=0.7+13sint+(14)8760×36002左右，而路基中心变化幅值较大：砂砾石厚度从路基中路面EF的温度变化规律为1.0m变化到10.5m，路基中心天然地表下1.5m的 第24卷第13期王爱国等.块石路堤上覆砂砾石厚度对冻土路基冷却效果的影响研究•2337•路堤砂砾厚1月1日4月1日7月1日10月1日名称度/m-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50普4p35nj-10-014p35nj-10-044p35nj-10-074p35nj-10-102222通00005.0-2-2-2-2路-4-4-4-4-6-6-6-6-8-8-8-8堤-10-10-10-10-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-502p15-10-012p15-10-042p15-10-072p15-10-100000-2-2-2-21.5-4-4-4-4-6-6-6-6-8-8-8-8-10-10-10-10-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-502p20-10-012p20-10-042p20-10-072p20-10-1000002.0-2-2-2-2-4-4-4-4-6-6-6-6-8-8-8-8-10-10-10-10-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-504p35-10-014p35-10-044p35-10-074p35-10-10222200003.5-2-2-2-2-4-4-4-4-6-6-6-6-8-8-8-8-10-10-10-10-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50p45-10-01p45-10-04p45-10-07p45-10-104444222200004.5块-2-2-2-2-4-4-4-4石-6-6-6-6-8-8-8-8路-10-10-10-10-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50堤6p55-10-016p55-10-046p55-10-076p55-10-104444222200005.5-2-2-2-2-4-4-4-4-6-6-6-6-8-8-8-8-10-10-10-10-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-508888p65-10-01p65-10-04p65-10-07p65-10-106666444422226.50000-2-2-2-2-4-4-4-4-6-6-6-6-8-8-8-8-10-10-10-10-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50-30-25-20-15-10-50p85-10-01p85-10-04p85-10-07p85-10-1088886666444422228.50000-2-2-2-2-4-4-4-4-6-6-6-6-8-8-8-8-10-10-10-10－10.0－－－－－10.0℃4.02.51.51.00.50.01.03.07.0纵、横坐标单位：m图2普通路堤及块石路堤不同砂砾石厚度情况下路基运营第10年的地温场对比Fig.2The10thyear′stemperaturedistributionincommonembankmentandblock-stoneembankmentwithuppersand-and-gravellayerindifferentthicknesses •2338•岩石力学与工程学报2005年表2各种路堤状况下路堤中心与路堤坡脚两处天然地表下1.5和5.0m不同深度点第10年的温度值Table2The10thyear′stemperaturesofdifferentpoints，atcenterandtoeofembankment，withdifferentdepthsbeneaththenaturalgroundsurface℃块石路堤上路堤中心天然地表下1.5m路堤中心天然地表下5.0m路堤坡脚天然地表下1.5m路堤坡脚天然地表下5.0m路堤名称覆砂砾石厚/m1月4月7月10月1月4月7月10月1月4月7月10月1月4月7月10月1.0－0.87－5.88－4.40－1.12－1.79－2.51－3.49－2.82－4.13－6.900.043.05－1.35－2.97－3.200－1.711.5－0.80－5.34－4.55－1.54－1.96－2.43－3.43－2.96－4.15－6.890.033.00－1.37－2.98－3.200－1.722.0－0.26－5.18－4.70－1.16－1.81－2.29－3.42－2.92－4.28－7.020.203.30－1.30－2.96－3.200－1.682.5－0.14－4.49－4.69－1.35－1.86－2.13－3.27－2.94－4.24－7.010.193.31－1.27－2.98－3.190－1.633.5－0.25－2.87－4.28－1.80－1.95－1.85－2.82－2.83－4.27－7.010.233.31－1.23－2.98－3.150－1.564.5－0.41－1.64－3.49－2.00－1.73－1.63－2.33－2.56－4.22－6.990.283.35－1.18－2.89－3.105－1.54块石路堤5.5－1.20－1.38－2.71－2.31－2.12－1.82－2.12－2.41－4.1－6.860.143.10－1.24－2.89－3.090－1.566.0－0.34－1.00－2.71－1.95－1.78－1.41－1.88－2.22－4.18－6.960.383.48－1.09－2.84－3.030－1.436.5－0.64－0.58－1.82－1.75－1.67－1.33－1.53－1.86－4.18－6.930.323.37－1.10－2.83－3.010－1.437.5－0.72－0.45－1.29－1.53－1.51－1.23－1.29－1.57－4.16－6.950.343.43－1.06－2.80－3.000－1.418.5－0.78－0.44－0.93－1.29－1.37－1.16－1.14－1.35－4.18－6.950.323.44－1.06－2.80－3.000－1.419.5－0.78－0.44－0.70－1.06－1.21－1.08－1.01－1.15－4.04－6.830.553.64－0.96－2.88－2.940－1.2010.5－0.69－0.39－0.50－0.81－1.03－0.95－0.87－0.95－4.01－6.810.543.64－0.94－2.85－2.920－1.18普通路堤5.01.57－0.71－1.830.35－0.35－0.27－1.06－1.05－3.75－6.441.754.77－0.26－2.14－2.260－0.34低温抬升幅值可达5℃，高温抬升幅值可达0.5℃；季高温的降低，但低温期表现更明显，而高温期相天然地表下5.0m的低温抬升幅值可达2.5℃，高温对较弱，表现出明显的不对称性，显示砂砾石厚度抬升幅值为1℃左右。砂砾石厚度增加对冻土高温的增加影响了块石冬季的降温作用。5.0m深度点在与低温值的这种差异影响正体现了其对块石制冷效砂砾石厚度小于6m时，也表现出类似的规律，但果的影响，低温抬升幅度大，说明块石层制冷能力高温与低温均随砂砾石厚度增加而抬升，只是低温减弱。抬升幅度大；当砂砾石厚度大于6m时，其温度表图3为路基中心天然地表以下1.5和5.0m两点现了随砂砾石厚度增加而整体抬升的趋势。在不同计算模型下的温度随时间变化曲线(由于版另外，块石厚度为1.5和5.5m两种情况时，其面限制，只显示前5a)，可以看出，普通路基浅部高温的降低较相邻情况出现变异，降低幅度较大，在运行后的1a内，温度基本达到年平衡状态，在说明这两种情况下，块石中空气对热量的传入起到深部则表现升温的趋势；而块石路基地温达到平衡更强的抑制作用。则需要很长一段时间(甚至7～8a)，且其年均温度3.2块石层空气流速分析及年最高温度均呈逐年下降趋势，初始幅度大，后为分析块石的冷却效果，对块石层在不同上覆逐渐减弱，显示了块石的持续制冷作用。不同砂砾砂砾石厚度下的空气流速进行了分析，图4给出了石厚度情况下，路基中心的降温过程随砂砾石厚度砂砾石厚度为3.5和6.5m两种情况下块石中空气的增大而愈加缓慢，达到平稳所需时间愈长。垂直流速分布(第10年)。从图4中可以看出，块石从图3中1.5m深度点可以看出，同一深度点中空气产生强的对流始于每年的11月份中下旬，至在不同砂砾石厚度下，一方面其温度年变化幅值随1月份对流速度达到最大。对流最初产生于块石边砂砾石厚度增大而减小；另一方面其年平均温度随坡，而后随时间推移，对流区逐渐向块石内部扩展，厚度的增加而升高，相对天然状况的降温幅度也相强对流中心也逐渐向路基中心移动，3月份，强对对减小。这种变化主要表现在冬季低温的升高及夏流区移动深度达到最大，而后对流逐渐减弱，至5 第24卷第13期王爱国等.块石路堤上覆砂砾石厚度对冻土路基冷却效果的影响研究•2339•时间t/月pt3.5–zxk1.5ps1.0–zxk1.5ps1.5–zxk1.540510152025303540455055ps2.5–zxk1.5ps4.5–zxk1.5ps5.5–zxk1.503ps6.5–zxk1.5ps8.5–zxk1.52时间t/月1－10510152025303540450/℃－1T/℃－2－2T－3－3－4pt3.5–zxk5ps1.0–zxk5ps1.5–zxk5－5ps2.5–zxk5ps4.5–zxk5ps5.5–zxk5－6－4ps6.5–zxk5ps7.5–zxk5ps8.5–zxk5(a)1.5m(b)5.0m图3路基中心天然地表以下1.5和5.0m两点在不同计算模型下的温度随时间变化曲线Fig.3T-tcurvesof1.5and5.0mundernaturalgroundsurfacebelowtheembankmentcenterindifferentmodel10－m/s3图4砂砾石厚度为3.5和6.5m两种情况下块石中空气的垂直流速分布(第10年)Fig.4Verticalvelocitydistributionofairintheblockstonewithuppersand-and-gravellayerthicknessof3.5and6.5m月份，靠近边坡块石内部对流已变得很弱，只在路块石几乎丧失了制冷作用。根据计算分析，在给定堤中心附近还存在相对较强的对流。7月份以后，边界条件下，当砂砾石厚度大于5.5m的时候，块整个块石层对流几乎停滞。块石中空气的这种冬季石中部就开始出现丧失制冷作用区。强对流、夏季几乎不对流的特性，正是块石能对路块石层中的空气水平流动速率随时间的变化及基产生主动冷却效果的原因。水平空间上的大小分布表现出与垂直速度相似的特对比图4(a)，(b)可以看出，在砂砾石厚度为征，但速率高值区位于块石顶底面附近，而非块石6.5m的情况下，靠近路基中心有将近4m宽度的层中心，显示了空气的对流循环。块石区，其空气流速全年都很微弱，说明这部分区3.3不同模型下路基多年冻土上限位置变化域的块石几乎已失去了制冷的作用，而只起到了低路基多年冻土上限的确定用1a中不同时间地导隔热作用；而靠近边坡的块石，其空气冬季对流下零温线的下包络线确定。夏季隔热的作用仍然存在。说明砂砾石增厚降低了图5为以路堤坡脚为基准点画出的不同砂砾石块石的制冷强度，特别是靠近路基中心一定范围的层厚度块石路堤及普通路堤下多年冻土上限位置对 •2340•岩石力学与工程学报2005年比图。从图5可以看出，普通路堤下的多年冻土上冷效果；虽然路基中心多年冻土上限位置随砂砾石限相对于天然条件有所下降，在路堤坡脚附近最明厚度增大而逐渐抬升，但这种情况的发生是由于路显；相对于普通路堤，块石路堤均能很大程度地提堤高度的增加而导致的，其代价为路基多年冻土层高多年冻土的上限，总体表现为随砂砾石厚度的增的冻结强度降低及边部块石制冷的冷能散失，前面加，路基中心多年冻土上限上升(见图6)，而坡脚多温度场特征及块石中空气流速分布特征能很好地说年冻土上限下降(见图7)，但存在1.0～1.5及5.5m明这一点。两个突变点，在这两种情况下，多年冻土上限明显随砂砾石厚度的增加，路基中心多年冻土上限高于其他厚度情况。从图5中还可以看出，除两种位置不可能一直抬升，图5，6也显示了在模拟所给突变情况外，砂砾石越厚，多年冻土上限位置曲线定条件下，当砂砾石厚度达到9.5m后，路基中部越低，说明砂砾石厚度的增加降低了块石的总体制多年冻土上限基本趋于平缓。另外，考虑全球气候[10]变暖的因素及路堤厚度增加所产生的高荷载，要保证铁路的安全运行，保护路基下的冻土，砂砾石厚度最好不要超过一定限度，如本模拟所得到的块石1.5m厚度下，砂砾石厚度最好不要超过6m，这样，块石的整体制冷能力能保证路堤下冻土不升温甚至降温，同时保证路基下多年冻土上限位置的最大抬升。4结论图5不同砂砾石层厚度块石路堤及普通路堤下多年冻土块石路堤的修建能很好地保护冻土，起到主动上限位置对比图冷却路基、抬升路基多年冻土上限的作用，但块石Fig.5Permafrosttableundercommonembankmentand上覆砂砾石厚度的变化对块石路基的冷却效果也存block-stoneembankmentwithdifferentthicknessesofsand-and-gravellayers在很大影响。一方面，块石上覆砂砾石越厚，地表温度变化传到块石层顶的幅值将相应减小，从而降低块石中空气的对流速率，减弱块石的制冷能力，多年冻土层温度相对抬升，冻结强度相对减弱；另一方面，虽然随块石上覆砂砾石层厚度的增加，路基中心多年冻土上限位置一直抬升，但边坡附近多图6上覆砂砾石层厚度与路基中心多年冻土上限的关系年冻土上限位置却一直下降，多年冻土顶板至路堤Fig.6Relationbetweenthepermafrosttableunderthe表面间的冻融层厚度也一直增加，而且当砂砾石层embankmentcenterandthesand-and-gravellayer厚度达到9.5m后，路基中心多年冻土上限位置基thickness本趋于平缓。综合考虑铁路路堤下多年冻土强度、地温、冻融层厚度、时间效应、路堤荷载、全球气候变暖等因素，要保证青藏铁路的安全运行，保护路基下的冻土，砂砾石层厚度最好控制在一定限度。设计砂砾石厚度与块石厚度的关系时要兼顾多年冻土上限抬升及多年冻土冻结强度两方面，如能通过模拟得图7上覆砂砾石层厚度与路堤坡脚多年冻土上限的关系Fig.7Relationbetweenthepermafrosttableunderthe到的两个突变厚度，这样既能大幅抬升多年冻土上embankmenttoeandthesand-and-gravellayer限位置，又能增加多年冻土的冻结强度。thickness以上结论是在理论模型下得到的，由于还没有 第24卷第13期王爱国等.块石路堤上覆砂砾石厚度对冻土路基冷却效果的影响研究•2341•实际资料验证，没有针对具体场地，因此在定量数embankmentballast[A].In：GroundFreezing2000[C].Rotterdam：值上可能存在偏差，但定性结论还是可靠的，仅供A.A.Balkema，2000.31–36.建设者参考。[10]赖远明，张鲁新，张淑娟，等.气候变暖条件下青藏铁路抛石路基的降温效果[J].科学通报，2003，48(3)：292–297.(LaiYuanming，参考文献(References)：ZhangLuxin，ZhangShujuan，etal.ThecoolingeffectofbrokenrockmassembankmentofQinghai—Tibetrailwayonconditionofclimate[1]MikhailovGP.Temperatureregimeofembankmentconsistingofwarming[J].ScienceBulletin，2003，48(3)：292–297.(inChinese))coarserockonpermafrost[J].TransportationConstruction，1971，12：[11]赖远明，张鲁新，徐伟泽，等.青藏铁路抛石路基的温度特性研32–33.究[J].冰川冻土，2003，25(3)：291–295.(LaiYuanming，Zhang[2]ChengKT，TungPL.ExperimentalresearchonanembankmentinanLuxin，XuWeize，etal.TemperaturefeaturesofbrokenrockmassareawithmassivegroundiceatthelowerlimitofalpineembankmentintheQinghai—Tibetrailway[J].JournalofGlaciologypermafrost[A].In：ProceedingsoftheThirdInternationalConferenceandGeocryology，2003，25(3)：291–295.(inChinese))onPermafrost[C].Ottawa：NationalResearchCouncilofCanada，1978.[12]程国栋.局地因素对多年冻土分布的影响及其对青藏铁路设计的199–222.启示[J].中国科学(D辑)，2003，33(6)：602–607.(ChengGuodong.[3]程国栋，童伯良，罗学波.厚层地下冰地段路堤建筑中的两个重要Theeffectsoflocalfactorsonthedistributionofpermafrostandthe问题[J].冰川冻土，1981，3(2)：6–11.(ChengGuodong，TonginspirationtotheconstructionofQinghai—Tibetrailway[J].ScienceBoliang，LuoXuebo.TwoimportantproblemsofembankmentinChina(SeriesD)，2003，33(6)：602–607.(inChinese))constructionsinthickundergroundiceregions[J].Journalof[13]程国栋.青藏铁路工程与多年冻土相互作用及环境效应[J].中国GlaciologyandGeocryology，1981，3(2)：6–11.(inChinese))科学院院刊，2002，(1)：21–25.(ChengGuodong.Theinteractingof[4]GoeringDJ.ParksridgeairconvectionembankmentexperimentalQinghai—Tibetrailwayandpermafrostandtheenvironmentalfeature[R].Washington，D.C.：FederalHighwayAdministration，2001.effect[J].PublicationofChineseAcademyofSciences，2002，(1)：[5]孙志忠，马巍.青藏铁路北麓河试验段抛石护坡工程措施初步分21–25.(inChinese))析[J].冻土工程国家重点实验室年报，2002，12：132–139.(Sun[14]程国栋.用冷却路基的方法修建青藏铁路[J].冻土工程国家重点Zhizhong，MaWei.Preliminaryanalysisofballastrevetment实验室年报，2002，12：102–105.(ChengGuodong.Constructtheexperimentalengineering[J].AnnualofStateKeyLaboratoryofQinghai—TibetrailwayusingthemethodsofcoolingtheroadbedFrozenSoilEngineering，2002，12：132–139.(inChinese))actively[J].AnnualofStateKeyLaboratoryofFrozenSoil[6]徐学祖，孙斌祥，李东庆，等.边界温度周期波动下块石的温度变Engineering，2002，12：102–105.(inChinese))化规律[J].岩土工程学报，2003，25(1)：91–95.(XuXuezu，Sun[15]马巍，程国栋，吴青柏.多年冻土地区主动冷却地基方法研究[J].Binxiang，LiDongqing，etal.Variationoftemperatureinballasts冰川冻土，2002，24(5)：579–587.(MaWei，ChengGuodong，Wuunderperiodicfluctuationofboundarytemperature[J].ChineseJournalQingbai.PreliminarystudyontechnologyofcoolingfoundationinofGeotechnicalEngineering，2003，25(1)：91–95.(inChinese))permafrostregions[J].JournalofGlaciologyandGeocryology，2002，[7]冯文杰，李冬庆，马巍，等.不同边界条件对多年冻土上限影响24(5)：579–587.(inChinese))的模型试验研究[J].冰川冻土，2001，23(4)：353–359.(Feng[16]孔祥言.高等渗流力学[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1999.Wenjie，LiDongqing，MaWei，etal.Influenceofclimatewarmingon32–35.(KongXiangyan.AdvancedFluidMechanicsinPorouspermafrosttablestudiedwithdifferentmodelsandtemperatures[J].Media[M].Hefei：UniversityofScienceandTechnologyofChinaJournalofGlaciologyandGeocryology，2001，23(4)：353–359.(inPress，1999.32–35.(inChinese))Chinese))[17]张涵信.多孔介质中热对流的分叉机理研究[J].力学学报，1994，[8]GoreingDJ，InstanesA，KnudsenS.Winter-timeconvectioninopen-gradedembankments[J].ColdRegionScienceandTechnology，26(2)：129–137.(ZhangHanxin.Studyonthedivaricatingmechanics1996，24：57–74.ofheatconvectioninporousmedia[J].ActaMechanicaSinica，1994，[9]GoreingDJ，KumarP.Convectionheattransferinrailway26(2)：129–137.(inChinese))