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高速鐵路路基溫度場及保溫措施數(shù)值模擬研究

2019-04-18 00:59王功博錢國玉
鐵道勘察 2019年2期
關(guān)鍵詞:路肩保溫板溫度場

王 永 王功博 錢國玉

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

隨著嚴寒地區(qū)高速鐵路的大規(guī)模建設(shè),季節(jié)性凍土路基的凍脹問題已成為嚴寒地區(qū)高速鐵路建設(shè)必須解決的主要問題之一[1]。目前,所采用的主要防凍脹措施是對路基進行保溫處理[2]。國內(nèi)外一些學者對路基保溫措施進行了相關(guān)研究:韓鎧屹等[3]以哈大客專大連段路基為研究背景,運用有限元軟件模擬分析路基溫度場在冬季各月份的分布情況及不同年份下路基溫度場的變化;邰博文等[4]基于哈齊客運專線泰康試驗段的地溫與變形監(jiān)測資料,研究了嚴寒地區(qū)路堤陰陽面的地溫和變形差異;許健等[5]運用土壤凍結(jié)條件下水熱耦合輸移的基本方程和數(shù)值方法,分析了保溫板和保溫護道措施對路基溫度場的影響規(guī)律;陸永港等[6]采用有限元數(shù)值仿真方法,分析在路基基床表層采用水泥穩(wěn)定級配碎石和在路基邊坡加設(shè)保溫護道對路基溫度場的影響;ESCH D C[7]通過取樣試驗,對比分析聚氨酯發(fā)泡保溫材料和XPS保溫板的鋪設(shè)厚度、導熱系數(shù)和抗壓強度特性,認為XPS保溫板具有優(yōu)越的性能和使用壽命;GANDAHL R[8]和LARSEN L A等[9]研究了公路路基面鋪設(shè)XPS保溫板對路基溫度場的影響規(guī)律。

聚苯乙烯泡沫塑料(Extruded Polystyrene,簡稱XPS)保溫板因其良好的隔熱性以及抗老化性等特點,在國外得到廣泛應用并取得了良好效果[5-9]。但是,XPS保溫板在高速鐵路路基中的應用較少。以張呼鐵路低填淺挖路基為背景,結(jié)合現(xiàn)場地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)及地質(zhì)資料,運用ABAQUS有限元軟件,模擬不同工況下XPS保溫板的路基溫度場分布規(guī)律。

1 路基模型的建立

鐵路路基為線性工程,假設(shè)其縱向為無限延伸,土層為均勻分布,路基計算模型可簡化為二維平面問題;參考路基的結(jié)構(gòu)形式、橫斷面尺寸和地層巖性等資料,建立如圖1所示的計算模型。

圖1 路基計算模型(單位:m)

由圖1可知,道砟頂部寬度為8.6 m,基床表層寬度為13.8 m,路基邊坡及兩側(cè)路塹坡度為1∶1.5。計算區(qū)域由4層組成,分別為級配碎石,凍脹不敏感A、B填料,粗砂和粉土地基。在基床表層頂部以下0.3 m處鋪設(shè)XPS保溫板(如圖2、表1所示)。

圖2 XPS保溫板鋪設(shè)方式(單位:m)

工況保溫板厚度/cm保溫板垂直線路鋪設(shè)長度/m保溫板鋪設(shè)方式100—2313.8路基面全幅鋪設(shè)保溫板3513.8路基面全幅鋪設(shè)保溫板4713.8路基面全幅鋪設(shè)保溫板51013.8路基面全幅鋪設(shè)保溫板61513.8路基面全幅鋪設(shè)保溫板71016.8保溫板鋪設(shè)至路基坡腳81019.4保溫板鋪設(shè)至側(cè)溝側(cè)壁91021.4保溫板鋪設(shè)至側(cè)溝底部

2 土體參數(shù)及路基溫度場的邊界條件

在模擬鐵路路基溫度場時,應綜合考慮線路走向、初始條件及邊界條件等因素對路基溫度場分布的影響[6]。

2.1 邊界條件及初始條件

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),在一年的周期中,日平均地表溫度變化曲線與正弦曲線相似。通過擬合計算,做出該斷面左路肩、路基中心和右路肩處日平均氣溫隨時間變化曲線(如圖3所示)。

根據(jù)實測值可擬合出該橫斷面不同位置的地表溫度函數(shù)表達式。

圖3 地表溫度實測值與計算值對比

右路肩:T=8.5+20.5sin((2πtd)/365+π/2-0.92)

路基中心:T=8+12sin((2πtd)/365+π/2-0.92)

左路肩:T=10.5+18sin((2πtd)/365+π/2-0.92)

路基溫度場計算模型的初始條件為T=T0,取td=0時作為道砟和路基填料初始溫度。

2.2 土體參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果及相關(guān)參考資料[6],得到模型中各土層及保溫板的熱物理參數(shù)(其中材料的密度與溫度無關(guān)),如表2所示。

表2 計算區(qū)域各土層及保溫板熱物理參數(shù)

3 路基溫度場的有限元模擬

采用ABAQUS進行低填淺挖路基溫度場模擬(熱傳遞類型為非耦合的熱響應),在Abaqus/Standard中完成計算過程。為了減少仿真計算的運算量,提高運算效率,在進行網(wǎng)格劃分時,模型上部單元長度采用0.2 m,下部單元長度采用1.0 m,網(wǎng)格控制屬性全部采用自由的四邊形為主單元,路基模型及網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 路基模型的網(wǎng)格劃分

4 計算結(jié)果分析

4.1 模型驗證

分別在該斷面的左路肩、路基中心和右路肩布置地溫孔,選取一年周期中3個特征時刻的仿真模擬值與現(xiàn)場實測溫度值進行對比分析(如圖5所示)??傮w上仿真計算結(jié)果與現(xiàn)場實測溫度值相差不大,二者有相同的變化規(guī)律:即路基頂部測點的溫度隨季節(jié)的變化波動幅值較大;隨著地溫孔深度的增加,下部測點溫度波動幅值逐漸減小,并逐漸趨于一個常數(shù)值,驗證了所建路基溫度場計算模型的正確性。

圖5 路基不同位置的模擬值與實測值對比

4.2 路基溫度場特征分析

選取4個特征時刻對路基溫度場進行分析。如圖6(a)所示,t=11 d,氣溫接近于暖季最高溫度,路基及地基淺層溫度接近于當年最高溫度,深層土體溫度約為10 ℃。如圖6(b)所示,t=120 d,大氣溫度逐漸降至0 ℃以下,路基及地基淺層土體開始發(fā)生凍結(jié),凍結(jié)鋒面大致位于0 ℃等溫線附近。由圖6(b)、圖6(c)可知,t=120~232 d期間,凍結(jié)鋒面的位置會隨著溫度的降低而逐漸下移,直至達到最大凍深,其中左側(cè)(陰面)路肩最大凍深略小于右側(cè)(陽面)路肩。由于道砟具有一定的保溫作用,故路基兩側(cè)溫度等值線略低于路基中心。如圖6(d)所示,t=260 d,隨著大氣溫度回升和太陽輻射量增加,路基處于吸熱狀態(tài),路基土體從凍結(jié)層兩側(cè)開始發(fā)生融化(即雙向融化)。

圖6 低填淺挖路基典型時刻地溫場云圖

4.3 保溫板厚度對路基溫度場的影響

為了確定保溫板最優(yōu)的鋪設(shè)厚度,根據(jù)不同保溫板厚度的溫度場云圖(見圖7)做出了最大凍深橫向分布曲線(如圖8)。由圖8可知,保溫板厚度增加對路基中心下部影響程度最大,從路基中心到其兩側(cè)逐漸減弱。為了保護軌面不受凍脹影響而產(chǎn)生上拱,應重點觀察線路左、右線下方的凍深。當保溫板厚度小于7 cm,左、右線下方的凍深大于保溫板鋪設(shè)深度,保溫板下層面土體存在負溫;當保溫板厚度為7 cm時,左線凍深位于保溫板層面,而右線凍深略低于保溫板層面;當保溫板厚度為10 cm時,左、右線下方的凍深均位于保溫板層面;而當保溫板厚度大于10 cm,左、右線及兩側(cè)路肩下方的凍深已無明顯變化。因此,為了減少不必要的工程成本,保溫板的最優(yōu)厚度應選取為10 cm。

圖7 不同保溫板厚度路基最大凍深時刻溫度場云圖

(注:圖中紅色粗線為保溫板鋪設(shè)深度)圖8 不同保溫板厚度路基最大凍深橫向分布曲線

4.4 不同保溫板長度路基溫度場分布規(guī)律

采用不同保溫板長度時,路基達到最大凍深的溫度場云圖如圖9所示。

圖9 不同保溫板長度路基最大凍深時刻溫度場云圖

為了選擇合理的路基保溫板鋪設(shè)長度,對采用不同保溫板長度時的路基最大凍深橫向分布曲線進行對比分析,如圖10所示。

(注:圖中紅色粗線為保溫板鋪設(shè)深度)圖10 不同保溫板鋪設(shè)長度路基最大凍深橫向分布曲線

由圖10可知,當保溫板鋪設(shè)長度為13.8 m時,路基整體最大凍深變化幅度最大,其中路基凍結(jié)線抬升高度為0.7 m以上;當保溫板鋪設(shè)長度為16.8 m時,左側(cè)路肩的最大凍深已經(jīng)接近保溫板面層;右側(cè)路肩位于陰面,其凍結(jié)深度較大,因此最大凍深線并未抬升至保溫板面層;當保溫板鋪設(shè)長度為19.4 m時,右側(cè)道砟腳最大凍深位于保溫板層面,右側(cè)路肩的最大凍深為0.614 m;隨著路基兩側(cè)保溫板鋪設(shè)長度增加至21.4 m,右側(cè)路肩的最大凍深已接近保溫板層面。

綜上所述,當保溫板鋪設(shè)長度為21.4 m(即保溫板鋪設(shè)至側(cè)溝底部)時,路基最大凍結(jié)線控制在保溫板層面,可以很好地保護路基下部土體,基本消除凍害對軌面的影響。

5 結(jié)論

(1)路基溫度場模型的仿真計算值與現(xiàn)場實測地溫值變化規(guī)律相同,驗證了所建模型的可靠性和所選參數(shù)的合理性。

(2)通過分析4個特征時刻的路基溫度場,可以發(fā)現(xiàn)路基溫度場橫向呈不對稱層狀分布,路基兩側(cè)溫度等值線略低于路基中心。

(3)保溫板厚度增加對路基中心下部土體凍深影響程度最大,從路基中心到兩側(cè)逐漸減弱;隨著路基兩側(cè)保溫板鋪設(shè)長度的增加,路基兩側(cè)下部土體凍深逐漸減小,但對路基中心附近土體的凍深影響甚微。

(4)確定了低填淺挖路基保溫板最優(yōu)鋪設(shè)厚度為10 cm,最佳鋪設(shè)長度為21.4 m,即路基面全幅鋪設(shè)且路基兩側(cè)的鋪設(shè)長度延伸至側(cè)溝底部時保溫效果最佳。

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