【摘 要】
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多年冻土这一特殊的工程地质体是寒区工程建设的巨大挑战之一。高速公路“宽”、“厚”、“黑”特点,及其诱发的尺度热效应,使得多年冻土区高速公路的修建面临更为复杂和严峻的技术难题。通过分析发现,已有的冻土路基调控温措施并不能完全解决宽幅路基带来的强吸热作用及次生病害的产生。因此,本文聚焦于冻土路基分层界面热效应及机械通风控温效能研究,首先基于冻土路基复杂耦合换热过程及青藏高原气象数据分析,建立了青藏高速
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多年冻土这一特殊的工程地质体是寒区工程建设的巨大挑战之一。高速公路“宽”、“厚”、“黑”特点,及其诱发的尺度热效应,使得多年冻土区高速公路的修建面临更为复杂和严峻的技术难题。通过分析发现,已有的冻土路基调控温措施并不能完全解决宽幅路基带来的强吸热作用及次生病害的产生。因此,本文聚焦于冻土路基分层界面热效应及机械通风控温效能研究,首先基于冻土路基复杂耦合换热过程及青藏高原气象数据分析,建立了青藏高速冻土路基地气耦合换热数值计算模型,研究了宽幅冻土路基换热特性及分离式路基合理间距;对不同气温条件下整体式和分离式路基的温度场进行了数值求解,基于冻土路基热收支平衡理念提出了主动导冷的分层界面热量控制调控温方法,并以路基下伏冻土人为上限不低于天然上限为调控目标,确定了关键参数;建立了机械通风路基计算模型,针对不同气温工况,评估了机械通风降温效果,设计了通风管道系统,并计算了通风系统能耗。通过研究,得出主要结论如下:（1）整体式路基传入基底总热量较分离式路基少,但基底单位长度传入热量多,说明整体式路基具有更为强烈的聚热效应。南北走向下,路中具有最大融化深度,且整体式路基最大融深显著大于分离式。以最小路基热扰动为考量,依据所建模型计算结果,可得出分离式路基合理间距约为9m（3倍路基高度）。（2）冷季时路基内存在高温融化核,整体式路基较分离式路基高温融化核面积更大且温度更高。整体式路基下伏冻土年平均地温年均升温率和最大融深均显著高于分离式,且随运营时间的增加,差距更为明显。随气温降低,整体式路基融化盘形态近似成比例缩小,分离式路基融化盘形态则趋于扁平化。同时,整体式路基融化盘面积均超过分离式路基,说明路基尺度效应将导致更为严重的冻土退化及融沉现象。（3）基于分层界面热量控制的冻土路基热量控制界面宜接近基底。对不同气温条件下整体式与分离式路基关键界面热量控制所需冷量量化分析发现:环境气温越高,界面热量控制所需冷量越多,且整体式路基所需冷量显著多于分离式。（4）机械通风控温路基结构可有效抬升人为冻土上限,在合理风速下,人为冻土上限形态横向分布均匀,冻土路基可长期保持较好热稳定性。年平均气温为-3.0℃分离式路基通风合理风速约为3m/s,所需电动机功率约为31.15W,沿公路走向单位千米能耗约为3.54k W;年均气温为-4.5℃分离式路基通风合理风速约为1m/s,所需电动机功率约为1.24W,沿公路走向单位千米能耗约为0.14kW。
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