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原文传递降雨对冻土区块石路基水热影响研究

论文题名：	降雨对冻土区块石路基水热影响研究
关键词：	冻土区;块石路基;气候变暖;人工降雨;对流换热;青藏高原
摘要：	随着“交通强国”战略的深入实施，在我国高寒、高海拔多年冻土地区修建了大量交通基础设施，如青藏铁路、青藏公路等。人类活动与工程的影响，导致全球气候变暖、升温加剧及降雨增多，进而导致冻土退化产生冻土融沉、翻浆、地基不均匀沉降等危害，我国青藏高原地区冻土工程面临巨大的挑战。为了应对这些挑战，特殊路基结构一直是我国研究的热点领域，专家学者们相继研究得出块石路基可有效降低冻土温度，减缓冻土退化趋势，块石路基结构主要利用空气对流换热，将路基中空气的自然对流变强对流，暖季隔热冷季降温从而降低冻土温度，有效性和实用性已在工程实际中得到证实。而气候变暖的同时伴随湿化现象加剧，降雨后雨水少部分附着于块石表面，其余入渗至路基底部冻土中，导致冻土含水量增加与比热容变大，而上述现象对块石层的对流换热特性、降温效果以及下部冻土均有较大影响，而块石路基在气温升高且降雨增多情况下的长期服役性能如何需要迫切回答。　　论文立足于室内模型试验，选取不同块石层和土层厚度、不同降雨量、不同边界模型开展冻土区块石路基进行研究。首先通过监测块石层内温度、热通量，与冻土地温、热通量与含水量数据；然后对监测到的上述数据进行分类、归纳、对比、作图等处理，获得模型内各个时间点对应的四种数据图；接着根据不同时间点的四种数据图，对冻土区块石路基模型进行现状和变化分析。对不同影响因素下降雨后的块石路基降温效果及冻土温度进行综合评价分析，从而对冻土区块石路基结构设计和防排水措施选型提供参考，论文取得研究结论如下：　　①在降雨时段开放边界块石层各深度处温度幅值有明显突变，最大抬升2.13℃，封闭边界块石层在降雨后温度缓慢变化；夏季降雨可降低块碎石层表面温度，厚度较小的块碎石层对降雨的温度响应更为显著；降雨后封闭块石层内自然对流大小与降雨量和块石层厚度有关。随着降雨量的增加，较大厚度的封闭块石层其自然对流逐渐降低，而较小厚度的封闭块石层其瑞利数则逐渐增加，自然对流作用增强。　　②降雨时雨水入渗携带的热量对基底土层有升温作用，与未来青藏高原升温速率0.052℃·a-1相比，降雨入渗会抬升基底土层温度并加快基底土层的升温速率，amp;nbsp;与未降雨相比最大抬升1.12℃，同时增加暖季幅值温度持续时间并减少冷季温度幅值持续时间；集中降雨作用下基底土层的平均温度基本呈升温变化，0.6m厚度的封闭块石层自然对流的主动冷却作用能抵消降雨的热量输入，保持对基底土层的降温作用。　　③开放块碎石层利用其强对流可使下部冻土缓慢降温，而降雨后基底土层降温速率与降温幅度均小于未降雨工况；封闭块碎石层内主要为自然对流，在本文的试验情况下基底土层均为升温状态，但降雨工况升温速率略高于空白工况。降雨会弱化块碎石层对基底土层的降温效果，加快冻土退化。封闭块碎石层内仅存在自然对流，若自然对流效果较弱则冻土会缓慢升温，而降雨入渗短时间会抬升土体温度，长时间会导致冻土升温加剧。　　④在暖季降雨过程中，基底浅土层的体积含水量显著增大，表现为体积含水量先急剧上升后缓慢下降，且土层表面对温度的响应滞后于水分变化。随着降雨量增加，土层的体积含水量及变化量整体呈升高趋势，并主要影响浅土层20cm深度。降雨后土层最大值含水量持续时间呈增长趋势，长时间高含水量不利于路基结构的稳定性，且在暖季处于冻结状态的基底土层，降水难以入渗会形成水分累积，对于厚度小的块碎石层，基底土层随气温升高融化加深降雨入渗带入的热量增多，建议在多雨地区块碎石层与土基界面应进行隔水层设计。　　⑤雨水与模型内部存在温差，在降雨时段各周期块碎石表面与基底土层的热通量均存在突变并随降雨量增大整体变化量增加。在降温过程中随着土层体积含水量的升高水相变为冰潜热释放量也增大，随降雨量增大基底土层每周期的吸热量和放热量基本呈抬升变化，但随冻融循环前者的变化率小于后者，热收支变化主要受降雨入渗量和块碎石厚度的影响。
作者：	耿永奇
专业：	交通运输
导师：	韩风雷
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023