作者姓名：张明义
　　论文题目：多年冻土区气冷路基长期热稳定性研究
　　作者简介：张明义，男，1974年10月出生，2003年9月师从于中国科学院寒区旱区环境与工程研究所赖远明研究员，于2007年7月获博士学位。

　　中文摘要

　　世界多年冻土面积约占全球陆地面积的25％，我国多年冻土面积约占国土面积的22.4％。对于多年冻土区的道路而言，成败的关键在路基，路基成败的关键在冻土，冻土的关键问题是融沉。而通过采取有效工程措施保护多年冻土，避免冻土路基的融沉，确保道路的长期稳定，正是解决这一关键冻土问题的有效途径，也是多年冻土区道路工程建设中最为重要和复杂的关键科学技术问题之一。为应对气候转暖对冻土道路工程稳定性的影响，加强病害防治，基于“主动冷却地基”的思路，对于块碎石路基与管道通风路基这两种新型结构的研究就显得尤为重要。由于这两种路基都是通过调节大气与路基间的对流换热来实现对路基自身及其下部地基土的冷却降温作用，因此将这两种路基统称为“气冷路基”。
　　本文紧密结合冻土工程领域的国际前沿问题，以青藏铁路工程为依托，对多年冻土区块碎石路基和管道通风路基这两种气冷路基的降温机理及长期热稳定性进行了深入系统的研究，研究成果具有突出的创新性和重要性。在理论上，揭示了气冷路基的降温机理，提出了新的计算方法和数学模型；在应用上，针对寒区重大工程中的关键科学技术问题，提出了有效的解决方法，成果已在青藏铁路工程中得到应用并取得良好效果。这些成果对我国冻土区筑路关键技术起到了重要的推动作用。论文的主要创新性成果如下： 
　　1. 揭示了块碎石路基的降温机理，确定了块碎石路基结构的最佳降温粒径。
　　为了查明在风的作用下块碎石路基的传热特性，通过室内试验，对不同形状的块碎石层在封闭和开放边界条件下的降温效果、降温机理和降温粒径进行了研究。
　　研究结果表明，在风的作用下，边界状态对块碎石层降温效果和降温机理有着决定性的影响：封闭边界的块碎石层，当满足一定条件时内部有自然对流发生，具有明显的热半导体特性；而开放块碎石层的热量传递主要是依靠强迫对流，热半导体特性不显著。研究还发现，顶部封闭方形块碎石层底部温度周期较差很小，最佳降温粒径范围约为20～30 cm；而对于顶部开放方形块碎石层，随着粒径的增大，底部温度周期较差增大，但周期平均温度降低。用于护坡的开放倾斜块碎石层在考虑太阳辐射增温的条件下，粒径在6～30 cm范围内，迎风条件下主要以强迫对流换热与接触热传导为主，降温效果随粒径的增大而加强；而背风条件下，在环境温度较低时自然对流降温效应也不容忽视，粒径为21～23 cm时降温效果最好。
　　2. 考虑外界风的作用，提出了多年冻土区开放边界块碎石路堤速度场和温度场计算方法，解决了青藏铁路块碎石路堤流体-固体耦合传热的计算难题。
　　多年冻土区路堤中的块碎石层多处于开放状态，其内部对流换热模式直接受到外界风的作用。因此，运用多孔介质中不可压缩流体对流换热的连续性方程，非达西流动量方程及能量方程，考虑外界风的作用，建立了多年冻土区开放块碎石路堤对流换热数学模型，根据现场试验数据证明了模型是合理可靠的，从而解决了达西定律在空气流速较大时，计算误差增大的问题与不足。
　　采用本模型对青藏铁路多年冻土区开放块碎石路堤速度场及未来50年的温度变化特征进行了数值研究。研究结果表明：开放块碎石路堤以强迫对流换热为主；在年平均气温为-4.0 ℃，考虑未来50年青藏高原气温升高2.6 ℃条件下，开放块碎石路堤对下部多年冻土具有积极的保护作用，但不同的结构形式长期热稳定性不同：1) 传统道碴路堤的修筑将会引起下部多年冻土的严重退化；2) 开放块碎石夹层路堤降温效果及长期热稳定性较好，并且较高路堤的降温效果好于较低路堤。但由于主导风向的影响，较高路堤下温度场会出现较严重的横向不对称问题，而较低路堤则无此现象发生；3) 开放块碎石护坡路堤降温效果主要集中在坡脚，路堤中部相对较弱，长期热稳定性相对较差。
　　3. 建立了多年冻土区封闭边界块碎石路堤对流换热数学模型，研究了块碎石路堤在特殊封闭条件下的传热特性和降温效果。
　　由于复杂的野外条件，开放块碎石路堤往往会被风沙、积雪等覆盖或人为封堵，在块碎石层内形成一个特殊封闭系统，其内部对流换热模式与开放系统截然不同。因此，为研究在这种特殊封闭条件下块碎石路堤的传热特性，基于多孔介质非达西流渗流理论建立了多年冻土区封闭块碎石路堤的对流换热模型，并以室内试验结果证明了模型是合理可靠的。
　　运用本模型对青藏铁路多年冻土区封闭块碎石路堤的速度场及未来50年的温度场进行了预测分析。研究结果表明，封闭块碎石路堤内部空气以自然对流换热为主；未来50年气温升高2.6 ℃条件下，封闭块碎石路堤仍对下部冻土具有积极的保护作用，但不同的结构形式降温效果和长期热稳定性存在明显差异：1) 封闭块碎石夹层路堤随着块碎石层上部填土厚度的增大，内部空气自然对流减弱，降温效果变差，当填土过厚时其长期热稳定性不易得到保证；
　　2) 封闭块碎石护坡路堤的降温特点为坡脚处降温效果较好，中部相对较弱，长期热稳定性不理想；3) 封闭U形块碎石路堤能够有效保护下部多年冻土，确保道路的长期热稳定性。
　　4. 建立了多年冻土区管道通风路堤气－固耦合传热模型，解决了在外界风作用下通风管内空气对流换热的计算问题。
根据管道通风路堤的结构特点及对流换热方式，运用对流、传导及流－固耦合传热理论，建立了管道通风路堤三维非线性气－固耦合传热模型，并以野外实测资料证明了模型是合理可靠的。本模型解决了通风管内外空气的对流换热以及管内空气与管壁间的耦合传热计算问题。
　　根据青藏高原多年冻土区气象和地质条件，采用本模型对青藏铁路管道通风路堤未来温度场进行了预测分析，结果表明：管道通风路堤(通风管轴线距天然地面1.0 m，内径0.4 m，管轴线间距2.0 m)在初始年平均气温为-4.0 ℃，未来50年气温升高2.6 ℃条件下，在修筑完成后的短期内不能有效消除路堤填筑对下部多年冻土产生的热扰动，但从其长期效果来看，通风管总体处于放热状态，有利于降低周围土体温度，因此，这种管道通风路堤能够有效地保护下部多年冻土，确保道路的长期热稳定。
　　5. 提出了在高温多年冻土区能有效保护下部多年冻土的“U形块碎石路堤”结构，消除了气候变暖对青藏铁路的影响问题。
　　多年冻土区高块碎石路堤经常出现两个问题：一个是开放条件下路堤温度场不对称，造成路堤的横向不均匀变形；另一个是封闭条件下路堤降温效果不理想。为此，提出了一种“U形块碎石路堤”结构。数值研究结果表明：在青藏铁路高温多年冻土区，考虑未来50年气温上升2.6 ℃的情况下，该路堤仍可以在其下部土层中形成低温冻土核，将冻土上限抬升至块碎石层底部。因此，在高温多年冻土区，如按保护多年冻土的设计原则，这种“U形块碎石路堤”是一种长期、安全、可靠的结构形式。这种路堤结构既可有效降低土体温度，消除气候变暖的影响，又可解决路堤下温度场不对称问题，为保持高温多年冻土区路堤的稳定性提供了重要的技术保障。
　　6. 提出了在路堑基底换填块碎石的新方法，为确保高温、高含冰量多年冻土区路堑的长期热稳定性提供了新的技术措施。
　　路堑结构也是青藏铁路多年冻土区一种重要的路基结构形式。通过对青藏铁路北麓河试验段路堑温度场及病害的分析发现，在高温多年冻土区修筑路堑，用低含水量粗颗粒土换填，并在基底换填土层中增设保温材料的结构形式，会造成其下部冻土的升温，很难保证道路的安全稳定。因此，提出了保温路堑和块碎石换填路堑两种结构形式：保温路堑是在边坡与基底的换填土层中均铺设保温材料，为被动保温措施；块碎石换填路堑是在边坡换填土层中铺设保温层，基底以块碎石换填，是一种主动冷却措施。数值研究结果表明，在高温多年冻土区或退化型低温多年冻土区进行挖方，当下部多年冻土含冰量较低时，可以考虑使用保温路堑结构，但当含冰量较高时，块碎石换填路堑可以作为一种能够有效保护下部多年冻土的结构形式，并具有较好的长期热稳定性。

　　关键词：气冷路基；对流换热；流－固耦合传热；热稳定性；多年冻土