沙漠地区路基路面温度场暨路面工作环境温度指标研究

论文摘要

沙漠地区地处祖国北方，自然环境十分恶劣，夏季炎热，地表最高温度高达70℃左右，冬季严寒，地表温度降至-30℃以下。道路处在这样的环境中，路面结构会产生诸多破坏；寒冷潮湿地区，路基冻胀造成的路面变形破坏更加严重，这些病害发生与路基路面热状况直接相关。为了尽量避免道路运营过程中病害发生，在设计和修建沙漠高等级公路时就应充分地考虑路基路面热状况分布。本文结合西部交通建设科技项目，全面系统地研究了持续变化的自然环境因素与路基路面温度场之间的关系，并得到以下主要结论： 基于Harlan热质迁移模型和Darcy定理推导出冻结条件下风积沙土路基二维水热耦合迁移数学模型。根据地表能量平衡原理建立了水热耦合迁移问题边界条件，利用现有资料回归分析出路基水热参数随土质含水量和干密度的关系式。应用系数效应滞后的全隐式有限差分格式并在每段时间采用线性迭代法来处理非线性水热耦合迁移方程。本论文建立的自然条件下水热耦合数学模型，相对Harlan模型而言，考虑了温度梯度对水分迁移的影响；综合各种气候环境因素的影响，采用了第三类边界条件；针对道路层状体系特点，计算模型区分了路面材料冻结和未冻结时的热物参数，建立的数学模型比较接近实际情况。通过对试验路温度和最大冻深计算，验证了水热耦合模型的正确性。利用该模型最终能够根据气象资料和路基水热参数准确预估出路基水热状况和最大冻深以及冻胀情况。为季节性冻土地区在路基设计中减少病害，制定相应的防治措施提供参考依据。 利用本文建立的水热耦合数学模型研究了内蒙古锡林浩特地区沙漠公路207国道K135+000处冻融期间道路水热状况分布规律。比较了水热耦合效应和未考虑水分影响单场两种计算方法分别计算的道路温度值，结果显示了水分对路基温度的影响。该地区道路冻结深度随时间线性变化，平均冻结速度达到2～3cm／d，最大冻结深度为3m左右，整个冻融期大约为180天。风积沙土路基在冻结过程中水分迁移主要发生在冻结锋面处，冻结前后在路面基层底部和最大冻深位置下含水量变化较大。 为了探索沙漠地区路面结构温度场的分布规律，提供路面工作环境温度指标。本文从气候学和传热学基本理论出发，研究沙漠地区路表和大气之间传热机理，将对流换热和辐射换热结合在一起提出路表复合换热系数概念，采用级数形

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义和目的
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究内容和方法
• 第二章 风积沙土路基冻融期水热耦合迁移数学模型研究
• 2.1 水分迁移驱动力
• 2.2 水热耦合迁移数学模型
• 2.3 边界条件的确定
• 2.4 路基水热参数确定
• 2.5 路基水热耦合迁移计算方法
• 2.6 本章小结
• 第三章 风积沙土路基冻融期水热迁移规律研究
• 3.1 数值计算和模型验证
• 3.2 仿真结果与分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 沙漠地区路面结构温度场的数学模型及定解条件
• 4.1 温度场的基本原理和方法
• 4.2 路表传热机理分析
• 4.3 路面结构体温度场数学模型
• 4.4 计算参数确定
• 4.5 本章小结
• 第五章 沙漠地区路面结构非线性温度场理论解研究
• 5.1 路面结构温度场的计算方法
• 5.2 路面结构温度场修正
• 5.3 温度场计算和实测值比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 沙漠地区路面结构温度场的仿真研究
• 6.1 路面结构温度场分布
• 6.2 路面结构温度变化速率
• 6.3 路面结构温度梯度
• 6.4 本章小结
• 第七章 沙漠地区路面结构温度场的应用
• 7.1 沥青混凝土路面设计温度确定
• 7.2 抗疲劳试验有效温度确定
• 7.3 抗车辙试验有效温度确定
• 7.4 水泥混凝土路面温度梯度确定
• 7.5 本章小结
• 第八章 沙漠地区路面结构温度场实测及沙区温度分布概况
• 8.1 气温和太阳辐射量
• 8.2 路表温度、气温和太阳辐射量间的关系
• 8.3 路面温度实测结果分析
• 8.4 路表温度与气象资料的线性回归
• 8.5 我国沙漠地区温度特征概况
• 8.6 本章小结
• 第九章 结论与进一步研究
• 9.1 主要结论
• 9.2 进一步研究
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表与论文有关的文章
• 攻读博士学位期间主要从事的课题研究