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季冻区新型路基冷阻层抗冻性及温度场模拟分析

时间:2016-08-31 11:17来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是铁路工程论文,本文将从冻结温度、未冻水含量、导热系数和比热容等多方面评价新型路基冷阻层的抗冻性。一方面,冻结温度是判断材料冻结状态、评价材料冻结特性的关键。
第1章 绪  论
 
1.1  研究背景及意义 
冻土即为温度低于 0℃的土体或岩石,这仅仅是考虑温度的基础上,并未讨论其中水的存在形式等。多年冻土、季节性冻土和隔年性冻土是主要的冻土体现形式。据我国早期的统计资料显示,多年冻土占我国国土面积的 20%,而季节性冻土在我国的国土覆盖面积更大,比例达到 45%左右,我国东北地区季节性冻土分布广泛,在气温和纬度的影响下最大冻结深度由南向北逐渐增大。目前,东北地区的公路铁路冻害较为普遍,主要表现为翻浆、路面开裂、道路及附属结构的冻胀破坏、涎流冰对道路及附属结构的破坏,其中冻胀和翻浆所带来的不均匀沉降和道路结构整体性的破坏尤为突出,成为了公路铁路正常运行和维护的重大障碍。道路冻害是内部及外部因素综合作用的结果,内部因素指粉质黏土及粉土等对冻胀敏感性强抵抗能力较低的填土,路基内部的水分以及利于冻结的低温环境;外部因素指对道路路面和基层结构产生破坏的外荷载和导致道路承载力降低的冻融循环等温度因素。根据道路产生冻胀和翻浆破坏的基本因素,防止和治理的基本方法是消除或削弱路基冻结过程中的聚冰,改善路基温度场,加强路基填料的性能,方法主要如下几种:①地基土换填法:选取水稳定性好、强度合格且抗冻胀性能强的填料;②排水隔水法:对冬季的路基内部水分场进行削弱;③保温隔热法:通过减小冻结深度,减轻外界的冷能量对路基填料的作用影响;④结构法:采用新型路基结构对路基性能进行改良;⑤综合措施法:上述等方法的综合[1]。 
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1.2  道路冻胀冻害调查
我国的季节性冻土主要集中在黑龙江、吉林、辽宁、甘肃、宁夏、新疆北部、青海和西藏等地区,我国的冻土研究起步于上世纪 50 年代,道路冻害的研究也较晚,1964年辽宁省土木道路冻害防治学术会议第一次正式的提出了道路冻害的防止对于道路维护的重要作用,此后于上世纪 80 年代国内开始了比较全面详细的研究,包括对冻胀的机理、冻胀的发生过程和影响因素等,为了有效地评定和防治道路冻胀,我国学者提出了很多的评定方法和模型。相比于多年冻土的研究季节性地区的研究较少,近十年来吉林、辽宁、黑龙江、北京等地方的交通科学研究所、高等级公路建设局和科研单位院所等对公路冻害进行了调查,结果表明季节性冻土区的道路冻害主要有道路的冻胀、翻浆、水泥路面的面层结构的开裂破坏和损耗,沥青路面的粒料损耗和裂纹等。冻胀和翻浆对于道路的结构破坏往往是致命的,严重程度及维护成本也远远高于其他冻害,见图 1.1和图 1.2。冻胀的发生;孔隙水及外来迁移的水的不断结晶,土体体积变大。由于结晶过程中,杂质可以从处于分凝作用的冰晶上被排斥出来,所以土体冻结过程中形成的冰晶体具有排斥其他溶质和其他物质包括土颗粒的倾向。如果冻结过程中土颗粒产生位移,在冻结面前移动,则会产生一层层薄冰,发生冻胀。 调查表明,道路冻害的发生与道路中水分的变化状态和运动形式有关,通常实际中采取合理的措施来控制道路中水分的含量,稳定道路所处的温度场的环境及控制填土的材料性能等措施可以一定程度上缓解道路冻害的发生及危害.
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第2章 冷阻层抗冻机理及热学基础 
 
2.1  保温隔热法道路冻害防治机理 
道路保温冷阻层的方法就是在路基内加铺一层保温材料,利用保温材料的低导热性阻止外部热量进入下部土层,从而起到对路基下部土层的保护作用。一方面可以减少路基冻结深度,减少或削弱由于路基冻胀引起的道路不均匀变形和破坏。另一方面还可以一定程度的防止道路的冻胀,在冻土区冻胀和翻浆往往是伴随出现的,如果道路出现冻胀,出现横纵向的裂纹,裂纹逐渐的发展导致雨雪的渗入,在外荷载作用下道路会发生翻浆,并且这种作用会由道路浅层结构向下延伸。 这种方法的实用性很强,多年冻土区和季冻区的道路皆可以采用。保温隔热材料的选择应该具有稳定的耐久性,足够的承载强度,不易吸水而且性能比较稳定,通常采用的工业保温材料有传统的保温用材 EPS 板(聚苯乙烯泡沫板)、新型的 XPS 板(挤塑式聚苯乙烯板)和聚氨酯等。保温层的埋设深度,单纯的从减小冻结深度的方面来看,越靠近面层越好,但是从材料的强度及受荷载作用来说,埋设的深度越深越好。根据很多研究表明,埋深深度应大于等于 0.5 米最为适宜,而且在保温层的施工过程中,应该在上下分别摊铺一定厚度的保护层,可以选用粗砂。铺设的宽度应该略宽于路面的面层结构。  
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2.2 冷阻层材料的热参数 
出于有效地评价材料的导热性和准确的建立求解温度场数学模型,掌握材料的未冻结水含量、导热系数和比热是十分重要的。冻土的定义是温度低于零度的土,这是从温度的角度来定义,同时还要认识到土中冰-水体系将随着颗粒成分、盐含量和比表面积的改变而不同,因此掌握未冻水含量的方程,理解冰水二相的关系对于冻土的性质是十分必要的。此外,在有限元模拟中,为了考虑冻土温度变化中的相变热,常常采用焓(H)概念,焓是材料密度和比热对温度的积分,但是考虑冻土是由土、水、冰和空气组成的四相体,在不考虑密度变化的情况下,材料的比热在不同温度下的数值差别很大,因此为准确建立数学模型,未冻水含量的确定也是十分必要的。 关于未冻结水含量测定方法主要有量热法和测温法两种,下面将逐一介绍: (1)量热法:该方法的原理是基于测定冻土中的冰晶融化时所吸收的热能量的多少来计算冻结水含量的方法,即可以用来确定冻土中的固态水完全化为液态时候的含水量,也可以求解冻土在某一特定温度时的固态水和液态水的各自成分。该方法原理明确、概念清晰、测试度较高,但是该法操作繁琐复杂,而且对试验装置的准确性和密闭性很高。当采用此种方法时,常常事先将冻土的温度稳定在某一负温度下,接着将冻土放入正温度的介质内,经过一段时间的冷热交换后,冻土的温度和介质的温度趋于平衡状态,此时根据量热装置和能量守恒原理,系统的总能量守恒,即冻土所吸收的热能量和周围介质放出的能量是相同的,经过公式推导和简化就可以算出液态和固态水随不同温度的含量,我国科学人员 2004 年精心研制成功的量热仪[48]在仪器精密度和测量手段上都具有严格的要求。 
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第 3 章  冷阻层的热参数测定试验及抗冻性能评价 .... 23 
3.1 冻结温度测定 ........ 23 
3.2 未冻结水含量的确定 .... 28 
3.2.1 确定方法原理 ......... 28 
3.2.2 未冻水确定 ..... 29 
3.2.3 结果分析及评价 ..... 29 
3.3 导热系数的确定 .... 30
3.4 比热容的确定 ........ 32 
3.4.1 比热容的确定方法 ......... 32 
3.4.2 冻结融化状态下的比热容 ..... 32 
3.4.3 结果分析及评价 ..... 34 
3.5 冷阻层热参数的抗冻性评价 ........ 34 
3.6 本章小结 ........ 34 
第 4 章  新型冷阻层的室外保温试验 .... 35 
4.1 室外冷阻保温试验准备工作 ........ 35
4.2 试验过程 ........ 36 
4.3 试验结果及分析 .... 38
4.4 本章小结 ........ 43 
第 5 章  新型冷阻层温度场有限元分析 ........ 45 
5.1 室外保温试验的有限元模拟 ........ 45
5.2 室外保温试验模拟结果及分析 .... 50
5.3 室外保温试验和有限元模拟结果的对比 .... 53 
5.4 实际道路有限元温度场的模拟 .... 54 
5.5 本章小结 ........ 57 
 
第5章 新型冷阻层温度场有限元分析 
 
本章节旨在通过 ANSYS 有限元模拟软件来模拟上一个章节的室外试验模型,通过模拟的结果和试验所获取的数据进行比较,进行相应的分析。并根据试验材料的特性和季冻区温度边界条件的确定对实际道路路基应用新型冷阻层的温度场进行预测,评价冷阻层的实际抗冻保温效果。 
 
5.1 室外保温试验的有限元模拟
本次模拟所采用单元为平面热单元 plane55,该单元是二维四节点四边形单元,此分析类型为瞬态热分析。在室外的试验中分别取 5m*5m*7m 的土体建模。路基的横断面如图 5.1 所示。图中的 XPS 板和改良土(橡胶颗粒改良粉煤灰土)构成新型路基冷阻层,模型中的正常填土即东北地带长春地区常见的工程用土粉质黏土具有典型的冻胀特性,和对比块粉质黏土的取地完全相同,而且密度、最佳含水量等参数相同,在图中为了便于分析对比块,因此加以区分。建模的尺寸:橡胶颗粒改良粉煤灰土作为试验块、粉质黏土作为试验块尺寸相同均为 50cm*50cm*55cm,XPS 保温隔热板的厚度为 5cm,将改良土覆盖即可。对于室外试验的模拟来说,有限元模型的选取越大则利于边界条件的确定,但试验块和对比块的尺寸差距则导致分析结果的不准确。所以本次模型左右分别取长度为2m 的正常填土范围,下方取深度为 7m 的范围,构成模型空间,模型几何坐标见表表5.1。
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结论
 
季节性冻土区的道路冻害现象十分普遍,不仅严重影响了道路的正常使用,而且增大了道路维护的成本费用,其中道路冻胀翻浆所产生的路基不均匀沉降和道路结构整体的破坏尤其严重。本文根据道路冻害产生的基本因素,结合常用的道路冻害防治措施提出采用保温性良好的 XPS 绝热板和课题组长期研究的适合季节性冻土区填土材料橡胶颗粒改良粉煤灰土共同作为道路路基的冷阻层,旨在通过加设路基冷阻层,阻隔冷能量对道路路基的侵入,减弱道路路基的冻结程度,改善道路路基的低温温度状况。本文从冷阻层的热参数和室外保温试验两方面来评价冷阻层材料的抗冻性及实际保温效果,并采用有限元模拟软件进行了模拟分析,得到了如下结论: 
(1)路基土在低温冻结过程中土内部的水分并未完全冻结为固态水,随着低温的变化存在着不同程度的未冻结液态水,未冻结水的存在对于导热系数、比热容等热参数产生了影响,因此未冻水的求解及对于热参数的调整对于路基温度场的掌握是十分必要的,本文通过测温法对橡胶颗粒改良粉煤灰土和粉质黏土的冻结温度的获取进一步求解未冻结水的含量。 
(2)从冻结温度、未冻水含量、导热系数和比热容等热参数来看,橡胶颗粒改良粉煤灰土和粉质黏土相比较,更加的不易冻结,且从冻结时间和抗冻表现来评价,改良土的保温抗冻性更加优越。 
(3)通过室外温度试验,对 XPS 板和橡胶颗粒改良粉煤灰土的结构冷阻层的保温性进行了短时间和长时间的温度监测试验,结果表明,新型冷阻层结构对冷能量起到了明显的阻隔作用,尤其是 XPS 板材的良好的隔热性能,整体保温层的保温效果相对于普通粉质黏土路基效果提高了几倍。 
(4)利用 ANSYS 有限元模拟软件对室外温度监测试验进行了核实,结果验明了未冻结水的求解及热参数的调整是可行的,并通过模拟实际道路路基结构层,对实际道路路基的温度场进行了有限元分析,温度场结果显示加设了新型冷阻层的道路路基可以有效的减少冷能量对路基的侵蚀,显著改善了路基的低温温度状况。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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