多年凍土區(qū)典型工程太陽輻射規(guī)律及熱邊界模型研究.pdf

1、多年凍土區(qū)路基、旱橋等各類工程的穩(wěn)定性與工程周邊凍土溫度場的分布及演化密切相關。溫度場計算的關鍵在于確定工程的熱邊界條件。論文以多年凍土區(qū)典型工程熱邊界為研究對象，開展系列研究工作。
　　現(xiàn)場實測及室內(nèi)模型試驗表明，太陽輻射是影響凍土及工程熱邊界的重要因素。目前凍土區(qū)工程太陽輻射的相關研究未充分考慮工程遮陽的影響。通過分析太陽輻射強度和影子軌跡隨時間的變化規(guī)律，建立時間、太陽輻射強度、太陽位置和影子軌跡關系的數(shù)學模型，提出了基于遮

2、陽理論的太陽輻射分析方法，并通過模型試驗對該方法進行驗證。利用遮陽理論和模型試驗對傾斜面太陽輻射規(guī)律進行研究，對現(xiàn)有坡面系數(shù)計算公式進行修正。
　　基于遮陽理論，提出直射率和散射率概念，分別建立了路基、旱橋、路橋過渡段等典型工程太陽直射和散射輻射的數(shù)學物理模型，并對典型工程表面及周邊凍土表面太陽輻射規(guī)律進行研究。通過對旱橋工程研究發(fā)現(xiàn)，旱橋的高度、走向、橋面寬度等因素對橋下及周邊凍土的太陽直射和散射輻射分布影響很大。旱橋的遮陽可以

3、有效減少旱橋周邊凍土接收的太陽輻射熱量，保護凍土。旱橋橋面的遮陽作用也會引起樁基附近凍土表面太陽輻射的非均勻分布，這種太陽輻射的非均勻性分布不可忽視，在樁基長期穩(wěn)定性分析中應予以考慮。通過對路基工程研究發(fā)現(xiàn)，路基各表面的太陽輻射存在明顯的差異，其差異性與路基走向、坡度等影響因素密切相關。路基陰坡面的太陽輻射熱量總是小于陽坡面的太陽輻射熱量，而且這種差異性在冬季大于夏季。對于坡度較大的高路基，路基的遮陽效應也引起路基周邊凍土表面的非均勻輻

4、射，表現(xiàn)為越靠近路基輻射量越小。路橋過渡段各表面的太陽輻射狀況比較復雜，其中路基段可按照路基工程進行分析，旱橋段可近似按照旱橋工程進行分析。橋頭坡面的太陽輻射分布存在明顯的非均勻性，表現(xiàn)越靠近橋面的太陽輻射越少，越靠近邊坡坡角的太陽輻射越多。橋頭坡面太陽輻射分布與路基走向、路基高度、路基坡度等因素密切相關，其中路基走向和坡面角度是關鍵影響因素。
　　對凍土區(qū)考慮多因素影響的工程混合熱邊界進行研究。基于能量平衡方程提出了工程混合熱邊

5、界求解兩種方法：第一種方法是等效空氣溫度法。利用傅里葉級數(shù)疊加原理建立周期性混合熱邊界等效空氣溫度計算模型，等效空氣溫度作為第三類熱邊界條件可直接進行凍土及工程結(jié)構(gòu)熱分析。基于周期性傳熱衰減原理，利用無相變模型近似獲得等效空氣溫度與凍土及結(jié)構(gòu)表面溫度之間的關系，并與附面層理論進行對比驗證。第二種方法是數(shù)值分析方法。建立含混合熱邊界條件的帶相變問題的有限元計算模型，利用自編有限元程序?qū)Φ湫凸こ虃鳠徇^程進行分析，通過對比現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)獲得驗證

6、。數(shù)值分析方法可以針對具體工程進行比較可靠的分析。
　　為了便于工程應用，本文對工程熱邊界簡化模型進行研究。工程表面溫度隨太陽輻射強度近似呈現(xiàn)線性變化規(guī)律，這種規(guī)律通過室內(nèi)模型試驗得以驗證。通過理論分析構(gòu)建了凍土區(qū)工程熱邊界（年周期表面溫度）計算簡化模型:此處公式省略！。分別建立青藏工程走廊典型下墊面及不同坡向的典型路基邊坡的平均溫度Tsuf、振幅Asuf、初相?t suf參數(shù)的計算模型。研究發(fā)現(xiàn)，凍土區(qū)下墊面平均溫度與工程表面狀

7、況及地區(qū)因素有關，平均溫度隨著下墊面吸收系數(shù)的增加而增加。對于路基坡面的平均溫度除了受到表面吸收系數(shù)和地區(qū)因素的影響外，還受到路基走向的影響。東西走向的路基出現(xiàn)最大陰陽坡溫差，對于凍土區(qū)典型路基（坡度1:1.5）陰陽坡的最大溫差為4℃左右。凍土區(qū)下墊面溫度振幅和初相與工程表面狀況及地區(qū)因素有關，表現(xiàn)為溫度振幅隨著表面吸收系數(shù)的增加而增加，隨著海拔高度的增加而減小。典型路基邊坡的溫度振幅除了受到表面吸收系數(shù)和地區(qū)因素的影響外，還受到路基走