多年冻土路基水-热-力耦合理论模型及数值模拟

多年冻土区宽幅路基中间隔离带安装热管数值模拟刘学锐【摘要】为保护青藏高原多年冻土区宽幅路基或高等级路基中心下冻土热稳定性,提出了利用路基中间隔离带安装热管的措施.根据青藏高原多年冻土区宽幅路基或高等级公路实际的气温和地质条件,对近20年的数据进行了模拟分析.结果表明:在年平均气温为-4.0℃的青藏高原多年冻土区,考虑未来50年气温上升2.6℃的条件下,在路基中间隔离带安装热管能够有效抬升路基中心下人为冻土上限,确保高温多年冻土区宽幅路基或高等级路基的热稳定性.【期刊名称】《兰州工业学院学报》【年(卷),期】2019(026)004【总页数】4页(P47-50)【关键词】宽幅路基;中间隔离带;热管;降温效果【作者】刘学锐【作者单位】兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730000【正文语种】中文【中图分类】U419.920 引言中国是冻土大国，其中仅多年冻土面积就要占到国土总面积的22.4%[1].在多年冻土区，冻土会随着气候正负温度变化而发生冻胀和融沉,从而影响建筑物的稳定性.解决这一问题的核心就是保持冻土温度相对稳定，防止冻胀和融沉的发生以此保持冻土路基的稳定性.青藏高原多年冻土大多属于高温冻土[2]，极易受到外界温度的变化和人类工程活动的影响.近年来青藏高原地区气候变暖逐渐加剧，加之人类工程活动急剧增加，冻土工程的稳定性正受到极大的威胁.为了保持多年冻土路基的稳定性，科研工作者提出了一系列保护多年冻土的措施，如保温板路基、块碎石路基、通风管路基、热管路基以及这些单一路基保护措施综合使用的复合路基.这些多年冻土路基保护措施目前已经应用于实际工程中并且取得了很好的效果[3].随着一带一路的提出及西藏的经济发展，在青藏高原修建高等级路基或宽幅路基已成为迫切需要，然而这种路基的路面要求高，沉降要求小，设计车速快.所以对路基的要求更高，并且路面材料一般采用的是沥青混凝土，吸热量更大，这在多年冻土区对路基下覆多年冻土极为不利.面对这种路基宽、厚、黑的特点，需要更强的保护措施才能保持路基的稳定性[4]，科研工作者对此进行了大量的研究.如块碎石-通风管复合路基[4-5]，热管-块保温板复合路基[6]、热管-块碎石复合路基等[7]和更高效的L型热管、块碎石护坡、保温板共同作用的复合路基[8]来保护宽幅路基的稳定性.但在宽幅路基中间隔离带安装热管的研究较少.本文利用宽幅路基中间隔离带的优势，模拟在宽幅路基中间隔离带增设热管的措施对宽幅路基制冷效果和路基稳定性的影响.1 数值模拟分析模型1.1 路基模型根据《公路路基设计规范JTGD30—2004》[9]及相关规范，取青藏高原多年冻土区高等级公路的路基高度为3.0 m，路面宽度为25 m，中间带宽度2.5 m(中央分隔带宽度1.0 m，左侧路缘带宽度0.75 m.边坡坡度为1∶1.5，路基数值计算模型天然地表左右各取30 m，路基计算深度从天然地表以下取30 m.热管分蒸发段、隔热段和冷凝段路，其中蒸发段长度为5 m，冷凝段长度为3 m，数值计算模型如图1所示.图1 路基计算模型(单位：m)图1中区域Ⅰ为路基填土，主要为碎石与砂砾土等粗粒土；区域II为亚黏土；区域III为强风化泥岩；上述各区域介质的热学参数见表1.1.2 数学模型在多年冻土冻结与融化过程中，水会发生相变.本文采用显热容法处理方程中的相变问题，假设路基中水相变发生在温度区间(Tm±△T)，相变潜热为L，同时假设介质在正冻、未冻时的体积热容Cf和Cu及导热系数λf和λu不随温度变化，构造出介质等效体积热容C*和等效导热系数λ*的表达式(1)(2)表1 计算模型中各介质的热学参数物理量λf/(W·m-1·℃-1)Cf/(J·m-3·℃-1)λu/(W·m-1·℃-1)Cu/(J·m-3·℃-1)L/(J·m-3)路基填土1.9801.913×1061.9192.227×10620.4×106亚黏土1.3511.879×1061.1252.357×10660.3×106强风化泥岩1.8241.846×1061.4742.099×10637.7×106热管总长为9 m，其中冷凝段为3 m；蒸发段长5 m，施加的热流度随外界温度的变化而变化，当外界温度高于路基内土体温度时热流密度为0；绝热段长1 m，施加的热流度为0.热管的热流密度可以简化为q=-|3 600×23.05(tga+tgb)/2-(3)式中：q为单位长度热管热流密度；tga、tgb分别为模型中施加热管边界条件的起始点和结束点的土体温度；l为热管作用的有效长度.1.3 边界条件模型计算采用年平均气温为-4 ℃，根据附面层理论[10]并考虑青藏高原未来50年平均气温升高2.6 ℃，所以图1中天然地表AB和FG的温度边界条件按式(4)计算.(4)路基边坡BC和EF的温度边界条件按式(5)计算.(5)路基顶面CD和DE的温度边界条件按式(6)计算.(6)上述各式中，t以小时为单位，α为时间相位，可用来调整初始时间.最下边界IJ的地热通量大小为0.06 W/m2，其余边界条件为绝热.2 结果分析根据野外实测数据和经验分析，路基下覆冻土的融化深度在10月中旬左右达到最大，因此以下分析均选取10月15日的路基温度场来进行分析，由于研究的主要对象为路基下多年冻土温度场，所以截取路基计算模型主要部分(高度-10～4 m，宽度25～69 m)进行研究.图2分别列出路基在中间隔离带安装热管后不同时间的地温包络线图，从图中可以明显看出在中间隔离带安装热管后路基中心冻土天然上限呈现逐步上升趋势；虽然在施工1年后路基中心下覆多年冻土人工上限变化范围不大，但是在施工10年后路基中心下覆多年冻土人工上限从原来的-0.2 m上升到0.3 m左右，到施工20年后路基中心多年冻土人工上限上升到0.5 m处.从外界气温最高时刻分析，施工后20年内冻土最大融化深度在逐渐减小，路基中心冻土人工上限上升趋势逐渐减小并上升到路基填土部分.这能减少路基内冻土的冻胀变形和裂缝的产生[11]，对宽幅路基的稳定性非常有利.(a) 1年后(b) 10年后(c) 20年后图2 中间隔离带安装热管后路基内温度分布(单位：℃)中间隔离带未安装热管的路基不同时间温度分布如图3所示，从路基完工后不同时间的路基温度变化可以看出中间隔离带未安装热管时，路基中心温度受路基两边的热管影响较小，冻土人工上限基本稳定在-0.2 m处.多年冻土人工上限较中间隔离带安装热管的路基低，且随着时间的推移多年冻土人工上限在暖季基本没有变化.冻土人工上限低于天然地表，在外界温度进行正负变化时，路基中心多年冻土容易产生冻胀变形和裂缝的发展，不利于路基稳定性.从图4可以明显看出在宽幅路基中间隔离带安装热管后人为冻土上限在施工后20年内逐渐升高到0.5 m，而未安装热管的路基中心人为冻土上限在施工后20年内基本没有变化.这表明在路基中间隔离带安装热管后路基内温度整体更低，在多年冻土区气候变暖的条件下有利于缓解宽幅路基下冻土退化，维护路基稳定性，保证路面平顺性.而路基中间隔离带未安装热管的路基人为冻土上限没有上升，且基本处于天然地表下，随着外界温度正负交替变化，路基会产生不同程度的冻胀和融沉，这对维护路基稳定性不利，甚至导致路基破坏.(a) 1年后(b) 10年后(c) 20年后图3 中间隔离带未安装热管路基内温度分布(单位：℃)图4 路基中心冻土人工上限高度随时间变化3 结论1) 宽幅路基中间隔离带安装热管后能明显提升路基中心人为冻土上限，有效缓解多年冻土退化，提高路基稳定性；而中间隔离带未安装热管的路基在路基中心的人为冻土上限基本没有上升且处于天然地表下，这对缓解多年冻土退化，维持路基稳定性不利.2) 中间隔离带安装热管的路基中心人为冻土上限逐渐升高，在模拟的20年内已升高了0.7 m.人为冻土上限升高趋势随着路基使用年限变长从快到慢，逐渐趋于平缓.3) 从数值模拟的结果得出，在多年冻土区修建高等级公路、宽幅路基时利用中间隔离带安装热管缓解路基吸热大、升温高，提升路基中心人为冻土上限是可行的，并且这一措施能有效缓解路基中心下的多年冻土退化，维持路基稳定性.参考文献：【相关文献】[1] 徐斅祖，王家澄，张立新.冻土物理学[M].北京:科学出版社,2001:1-5.[2] 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].冰川冻土,2002, 4(5):579-587.[3] 吴紫汪，程国栋,朱林楠,冻土路基工程[M].兰州:兰州大学出版社,1988:51-59.[4] 刘戈,汪双杰,袁堃,等.复合措施在多年冻土区宽幅路基建设中的适用性[J].公路,2016(3):12-17.[5] 刘戈,汪双杰,孙红,等.透壁式通风管-块石复合路基降温效果模型试验及数值模拟[J].岩土工程学报,2015(2)：284-291.[6] Wu J,Ma W,Sun Z,et al.In-situ study on cooling effect of the two-phase closed thermosyphon and insulation combinational embankment of the Qinghai-Tibet Railway[J].Cold Regions Science & Technology,2010, 60(3):234-244.[7] 侯彦东,吴青柏,孙志忠.青藏铁路碎石护坡-热管复合措施的补强效果研究[J].冰川冻土,2015,37(1):118-125.[8] 董元宏, 赖远明, 陈武.多年冻土区宽幅公路路基降温效果研究：一种L型热管-块碎石护坡复合路基[J].岩土工程学报,2012,34(6):1043-1049.[9] JTGD30—2004，公路路基设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.[10] 朱林楠.高原冻土区不同下垫面的附面层研究[J].冰川冻土,1988,10(1): 8-14.[11] 田亚护,房建宏,沈宇鹏.多年冻土地区宽幅公路路基稳定性模拟[J].中国公路学报,2015,28(1):17-23.。

基于多孔介质理论的冻土水热迁移耦合模型推导李杨【摘要】在多孔介质理论的基础上,基于非线性达西定律并假设水分迁移过程为单向、可逆及水分迁移过程中无溶质迁移,推导得出了无相变以及考虑相变的水分迁移方程；引入土体传热方程和土骨架质量密度变化方程,过程中考虑了冻土中温度变化,扩散和对流,以及水分相变和温度、质量变化之间的相互影响.联立各方程得到了非饱和冻土水热分布控制方程,建立了非饱和冻土水热迁移耦合模型.文中亦对模型中具体参数的确定方法提出了建议.方程属于非线性偏微分方程,无法得出解析解,须采用数值解法.%In this paper, unsaturated frozen soil moisture and heat transfer coupling model were established based on the theory of porous media. Assuming that the water migration process was one - way and reversible and without solute transport, water transport equation of without and with phase transition were derived based on nonlinear Darcy's law. Then the heat transfer equation in soil and the change equation of quality of soil skeleton density were introduced into the model and in this process, the temperature variation during phase change of water in frozen soil and the interaction between temperature and quality changes were considered. At the same time, the effect of diffusion and convection were taken into account too. Eventually the equation of water and thermal distribution of unsaturated frozen soil was got. And the method for determining the model parameters was given. Model e-quations are nonlinear partial differential equations, only numerical method but analytical solution can be obtained.【期刊名称】《河北工程大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(029)003【总页数】4页(P11-14)【关键词】多孔介质;季节冻土;水热迁移;耦合模型【作者】李杨【作者单位】福建工程学院土木工程系福建福州350014;吉林大学建设工程学院吉林长春130026【正文语种】中文【中图分类】TU752;TU411.92土体是一种多孔介质，土体中水分的迁移流动属于多孔介质流体流动[1－2]。

基于热水力耦合效应的青藏高原多年冻土斜坡稳定性分析基于热水力耦合效应的青藏高原多年冻土斜坡稳定性分析摘要：青藏高原是世界上最大的高原，其地质环境非常特殊，多年冻土是其主要地貌类型之一。

由于气候变化和人类活动的影响，青藏高原多年冻土斜坡稳定性问题日益突出。

本文基于热水力耦合效应，通过文献资料分析和数值模拟，对青藏高原多年冻土斜坡稳定性进行了深入研究。

1. 引言青藏高原地处高原气候带，气候寒冷，几乎全年维持在低温状态，因此形成了大面积的多年冻土。

多年冻土在高原地区起着重要的地质和生态功能。

然而，气候变化和人类活动对多年冻土产生了极大的影响，特别是在斜坡稳定性方面，引发了大量问题。

2. 热水力耦合效应热水力耦合效应是指由于温度和水分变化引起的土体物理和力学特性的改变。

青藏高原多年冻土斜坡中，存在水分的运移和变化以及温度的升高等耦合效应。

这些效应使得多年冻土斜坡的稳定性产生了巨大的变化。

3. 多年冻土斜坡稳定性的危害青藏高原多年冻土斜坡稳定性问题主要表现在两个方面：一是多年冻土的融化和变形导致了斜坡的坍塌和滑坡，给山区民众的生命财产安全造成威胁；二是融化后的多年冻土中释放的大量甲烷和二氧化碳等温室气体导致了环境污染和全球气候变化等问题。

4. 数值模拟分析本研究采用COMSOL Multiphysics软件对青藏高原多年冻土斜坡进行了数值模拟分析。

首先建立了多年冻土斜坡的几何模型和边界条件，并考虑了土体的热物性、水分运移和力学特性等参数。

然后，通过斜坡稳定性分析模块，计算了不同温度和水分条件下的斜坡稳定性指标。

结果显示，热水力耦合效应对斜坡稳定性有着显著影响。

5. 结果与讨论通过数值模拟分析，我们得出以下结论：首先，随着温度升高和水分的运移，多年冻土的强度和抗剪强度降低，导致斜坡的稳定性下降；其次，多年冻土的融化会引起通气孔隙率增加，土体内的压力会由正压变为负压，进而导致土体产生损伤和破坏；最后，斜坡的降雨量和坡度对稳定性影响较大，增加了斜坡的失稳风险。

第26卷第4期 V ol.26 No.4 工 程 力 学 2009年 4 月 Apr. 2009 ENGINEERING MECHANICS246————————————————收稿日期：2007-11-09；修改日期：2008-07-22基金项目：教育部“新世纪优秀人才支持计划”项目(NCET-04-0979)作者简介：*武建军(1964―)，男，山西大同人，教授，博士，从事冻土力学研究(E-mail: wujjun@)； 文章编号：1000-4750(2009)04-0246-06饱和正冻土水-热-力耦合作用的数值研究*武建军，韩天一(兰州大学土木工程与力学学院西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃，兰州 730000)摘 要：基于刚性冰假定和水动力学模型，将土体视为弹性体，建立了考虑应变对水分迁移影响的饱和土冻结过程中水-热-力的耦合动力学模型，利用有限元法和差分法对饱和土冻结过程中水-热-力的耦合作用进行了数值研究，给出了冻土中含水量和应力沿高度的分布规律，讨论了冻结时间、温度边界条件对冻土中含水量分布及应力分布的影响。

研究结果表明：受土体冻结过程中水分向冻结锋面附近迁移的影响，冻结锋面附近的含水量逐渐增加，引起该处应力逐渐增大，从而导致土体发生冻胀变形。

关键词：冻土；耦合；数值研究；含水量；温度；应力 中图分类号：TU445; O347 文献标识码：ANUMERICAL RESEARCH ON THE COUPLED PROCESS OF THEMOISTURE-HEAT -STRESS FIELDS IN SATURATED SOIL DURING FREEZING*WU Jian-jun , HAN Tian-yi(Key Laboratory of Mechanics on Western Disaster and Environment of Ministry of Education, School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou, Gansu 730000, China)Abstract: Based on the assumption of rigid ice and the hydrodynamic model, regarding the soil as elastic, the dynamic model of the coupled moisture-heat-stress process is established considering the influence of the strain due to the moisture migration. By means of the finite element method and the finite difference method, this paper analyzes numerically the coupled process of the moisture-heat-stress fields in saturated soil during freezing. The variations of water content and stress over height in saturated soil during freezing are obtained. The influences of the freezing time and the temperature boundary condition on the distributions of water content and stress are further discussed. The numerical results demonstrate that the water content increases gradually neighboring the freezing front, because the moisture migrates to the freezing front during the freezing process, which leads to the increase of the stress near the freezing front, which in turn causes the frost deformation in frozen soil.Key words: frozen soil; coupled; numerical research; water content; temperature; stress现代多年冻土的分布占全球陆地面积的25%，包括季节性冻土在内则要占到50%[1]；在中国，多年冻土区的分布面积约为2.086×106km 2，季节性冻土区的分布面积为5.137×106km 2，两者合计占全国陆地面积的75%[2]。

冻融土壤水热盐运移规律研究及数值模拟土壤季节性冻融作用是影响旱寒区农业发展的一个重要因素,尤其是冻融期土壤水盐向上运移将会导致越冬期农田地表积盐,从而影响春季播种。

由于冻融土壤水热盐运移过程的复杂性,其演化机理及模拟一直是旱寒区土壤水热盐运移过程研究的瓶颈,开展这一问题的研究对于全面深入理解旱寒区水循环规律和土壤盐渍化形成机理,科学地进行水盐调控和土壤盐渍化的防治具有重要的现实意义和学术价值。

本文以内蒙古河套灌区为背景,通过室内和田间试验,测定了不同盐分条件下的冻融土壤水热运动参数、水盐运移过程和蒸发过程,分析了水热盐运移规律。

改进了水热盐运移模型(CoupModel)并引入GLUE(Generalized Likelihood Uncertainty Estimation)不确定性分析方法,对冻融土壤水热盐运移模拟不确定性进行了深入分析,取得了如下成果：1)通过室内及野外原位观测试验,测定了含盐冻融土壤水热特性参数,分析了水热参数随水分、盐分及温度的变化规律,建立了含盐冻融土壤水热参数估算模型。

试验结果表明,冻融土壤的比热容与热传导率与土壤负温之间分别呈幂函数和线性关系,土壤冻结曲线受土壤初始含水量、盐分种类与含盐量共同影响。

2)通过室内和野外土柱及测坑试验,研究冻融土壤水热盐运移过程和规律。

研究发现,地下水位的高低影响土壤冻结锋的向下推进速度,不同地下水位及不同土壤初始盐分条件对冻融期内土壤蒸发有显著影响。

高地下水位及高盐分含量为土壤蒸发提供了便利。

3)建立了冻融土壤水热盐运移模型--CoupModel,并结合不确定性分析方法GLUE对冻融土壤水热盐运移特性进行了模拟分析,深入探讨了模拟结果的不确定性。

冻融土壤水热运移模拟存在较大不确定性,而提高试验观测手段及完善模型结构则是减小模拟结果不确定性的有效途径。

基于试验结果对含盐土壤冻结特性的认识,考虑盐分对土壤冻结特性的影响,对CoupModel中土壤冻结曲线模型进行了改进。