288 岩 土 工 程 学 报 2015年

表1 土体计算参数 Table 1 Soil parameters

土性

f

Cf /(KJ·kg-1·℃-1)

u

/(J·m-1·℃-1·s-1)

Cu /(KJ·kg-1·℃-1)

/(kg·m-3)

/(J·m-1·℃-1·s-1)

填土 2.200 0.857 1.680 1.103 1870 块石 0.378 0.508 0.378 0.508 2000 粉质黏土 1.224 1.070 0.883 1.370 1708 泥岩 2.033 0.785 1.662 0.890 1962 混凝土管 1.770 1.000 1.770 1.000 2400

有相变的热传导问题，本文采用显热容法处理。考虑相变潜热的影响，冻土的体积热容C和导热系数K分别表示为

Cf(T) (T (Tf T))

C Cu L

f ((Tf T)≤T≤(Tf T))C 22 T Cu(T) (T (Tf T))

，(8)

Kf(T) (T (Tf T)) K Kf

T) ((Tf T)≤T≤(Tf T))， K Kf u T (Tf

2T

Ku(T) (T (Tf T))

图7 路基计算模型剖面示意图 Fig. 7 Profile of embankment

(9)

3.4 初始条件

式中，下标u表示未冻区，下标f表示正冻区， T为发生相变的温度区间，L为冰水的相变潜热，其它符号同上。

本文采用Galerkin法对上述方程进行有限元方程的推导，方程从略。 3.2 几何模型

路堤的路面宽度为10 m，高为3 m，路堤边坡为1∶1.5，路堤为对称结构，通风管距地表面0.25 m，

路基的初始温度取天然地基的实测值，见表2所示。

表2 路基的初始温度

Table 2 Initial temperatures of embankment 深度/m

温度/℃

深度/m

温度/℃ -0.92 -0.95 -0.96 -0.98 -1.00

-6 --7 -2 -3 -4 -5

-0.92 -0.22 -0.68

-8 -9 -10~-40

直径为0.4 m，通风管净间距为2 m，通风管上下两侧开孔；通风管布设于块石层中，块石总厚度为1.2 m，下侧块石厚度为0.25 m，其它都为普通填土。计算地基的深度为40 m，计算模型在路堤走向上的厚度为2.4 m，路基外围两侧计算宽度均为30 m。采用三角

-3.5 边界条件

形单元，通风管及块石区域单元细化，计算区域的单元共223406个，节点共112114个。 计算模型示意图见图7所示。

3.3 材料的物理参数

高原的空气密度为0.641 kg/m3，传热系数为0.025 J/(m·℃·s)，比热为1.004 KJ/（kg·℃），动黏滞系数 为1.75×105 kg/（m·s），相变潜热为334.56 kJ/kg， T为

-

0.3℃。土层从上到下依次为1.8 m厚填土，1.2 m厚

渗透系数为3.48×106 m2），6.6 m块石（孔隙比为0.4，

-

厚粉质黏土、泥岩，各种材料的土体参数见表1。

透壁通风管入口风速为4 m/s，出口边界的压力为

大气压力，块石层边界没有风压作用。为消除夏季热量的影响，通风管管口预设风门，夏季关闭，冬天开放。风门关闭时，假设整个透壁通风管多孔介质系统中风速为0。模型底边界的热流密度为0.06 W/m2，其余为绝热边界。路基所在区域年平均温度为-3.6℃，

根据附面层理论假定路基模型气温年平均差为24℃。

的边界条件表示如下[15]：

天然地表AB和EF的温度变化为

T 0.3 12sint ； (10) 路堤斜坡BC和DE的温度变化规律为