多年冻土区典型工程太阳辐射规律及热边界模型研究

发布时间：2019-07-23 08:10

【摘要】：多年冻土区路基、旱桥等各类工程的稳定性与工程周边冻土温度场的分布及演化密切相关。温度场计算的关键在于确定工程的热边界条件。论文以多年冻土区典型工程热边界为研究对象,开展系列研究工作。现场实测及室内模型试验表明,太阳辐射是影响冻土及工程热边界的重要因素。目前冻土区工程太阳辐射的相关研究未充分考虑工程遮阳的影响。通过分析太阳辐射强度和影子轨迹随时间的变化规律,建立时间、太阳辐射强度、太阳位置和影子轨迹关系的数学模型,提出了基于遮阳理论的太阳辐射分析方法,并通过模型试验对该方法进行验证。利用遮阳理论和模型试验对倾斜面太阳辐射规律进行研究,对现有坡面系数计算公式进行修正。基于遮阳理论,提出直射率和散射率概念,分别建立了路基、旱桥、路桥过渡段等典型工程太阳直射和散射辐射的数学物理模型,并对典型工程表面及周边冻土表面太阳辐射规律进行研究。通过对旱桥工程研究发现,旱桥的高度、走向、桥面宽度等因素对桥下及周边冻土的太阳直射和散射辐射分布影响很大。旱桥的遮阳可以有效减少旱桥周边冻土接收的太阳辐射热量,保护冻土。旱桥桥面的遮阳作用也会引起桩基附近冻土表面太阳辐射的非均匀分布,这种太阳辐射的非均匀性分布不可忽视,在桩基长期稳定性分析中应予以考虑。通过对路基工程研究发现,路基各表面的太阳辐射存在明显的差异,其差异性与路基走向、坡度等影响因素密切相关。路基阴坡面的太阳辐射热量总是小于阳坡面的太阳辐射热量,而且这种差异性在冬季大于夏季。对于坡度较大的高路基,路基的遮阳效应也引起路基周边冻土表面的非均匀辐射,表现为越靠近路基辐射量越小。路桥过渡段各表面的太阳辐射状况比较复杂,其中路基段可按照路基工程进行分析,旱桥段可近似按照旱桥工程进行分析。桥头坡面的太阳辐射分布存在明显的非均匀性,表现越靠近桥面的太阳辐射越少,越靠近边坡坡角的太阳辐射越多。桥头坡面太阳辐射分布与路基走向、路基高度、路基坡度等因素密切相关,其中路基走向和坡面角度是关键影响因素。对冻土区考虑多因素影响的工程混合热边界进行研究。基于能量平衡方程提出了工程混合热边界求解两种方法:第一种方法是等效空气温度法。利用傅里叶级数叠加原理建立周期性混合热边界等效空气温度计算模型,等效空气温度作为第三类热边界条件可直接进行冻土及工程结构热分析。基于周期性传热衰减原理,利用无相变模型近似获得等效空气温度与冻土及结构表面温度之间的关系,并与附面层理论进行对比验证。第二种方法是数值分析方法。建立含混合热边界条件的带相变问题的有限元计算模型,利用自编有限元程序对典型工程传热过程进行分析,通过对比现场实测数据获得验证。数值分析方法可以针对具体工程进行比较可靠的分析。为了便于工程应用,本文对工程热边界简化模型进行研究。工程表面温度随太阳辐射强度近似呈现线性变化规律,这种规律通过室内模型试验得以验证。通过理论分析构建了冻土区工程热边界(年周期表面温度)计算简化模型:()sufsufsufsufTπ8760/2sin?+?+=tt AT。分别建立青藏工程走廊典型下垫面及不同坡向的典型路基边坡的平均温度sufT、振幅sufA、初相suf?t参数的计算模型。研究发现,冻土区下垫面平均温度与工程表面状况及地区因素有关,平均温度随着下垫面吸收系数的增加而增加。对于路基坡面的平均温度除了受到表面吸收系数和地区因素的影响外,还受到路基走向的影响。东西走向的路基出现最大阴阳坡温差,对于冻土区典型路基(坡度1:1.5)阴阳坡的最大温差为4℃左右。冻土区下垫面温度振幅和初相与工程表面状况及地区因素有关,表现为温度振幅随着表面吸收系数的增加而增加,随着海拔高度的增加而减小。典型路基边坡的温度振幅除了受到表面吸收系数和地区因素的影响外,还受到路基走向的影响,坡向为正北时振幅最大,坡向为正南时振幅最小。温度波初相变化较小,计算分析时其值可近似取-2.1。简化模型获得结果通过卫星遥感数据及现场断面实测数据进行验证,具有较好的拟合度。热边界简化模型只需地区纬度、海拔、表面辐射状况等参数即可对青藏工程走廊工程热边界温度进行近似求解,可推广至青藏工程走廊全线,适用于冻土区各类工程的热分析。
【图文】：

Research Background）况乃至世界高海拔多年冻土区的典型代表。伴随着青了新一轮经济发展，迫切需要新建高速公路、输变电工程与已建的青藏公路、青藏铁路、格拉输油管道、 10km 范围内的青藏工程走廊内，如图 1-1 所示。在拟建的各种冻土构筑物相互影响，多因素耦合叠加，必将影响到工程的稳定性和生态环境退化[1]。再加上加剧烈。土区面积达621 .5× 10km，，与高纬度冻土区相比，这里阳辐射强等特点。青藏公路和青藏铁路等走廊工程穿系列特殊的环境、地质的特征的影响下，青藏走廊工

Fig.1-2 Longitudinal cracking of roadbed图 1-3 路基不均匀变形Fig 1-3 Uneven settlement of roadbed高温极不稳定及高温不稳定冻土区的修建中，为解决证路基的稳定性，同时也为保证野生动物迁徙通道的
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU111;TU445


本文编号：2518023