2004年1月JournalofChang′anUniversity(NaturalScienceEdition)Jan.2004:167128879(2004)0120030204冻土路基温度场室内足尺模型试验毛雪松,,侯仲杰(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西西安710064)摘要:取用多年冻土地区代表性土类进行冻土路基室内足尺模型试验,建立伴有相变的路基非稳态温度场的控制方程,在空间域内用采用混合单元的有限元网格划分,在时间域内用有限差分格式划分的混合解法进行有限元分析。通过对观测结果进行数值模拟,验证了数学模型的正确性。进一步分析路基温度场的变化规律与野外观测结果的变化规律,其一致性说明了室内模型试验可以模拟野外冻土路基的真实情况,为研究冻土路基温度场的变化规律提供了可靠依据。:U4161168文献标识码:ALaboratorylarge2scaletestoftemperaturefieldinpermafrostsub2gradeMAOXue2song,,HOUZhong2激e(KeyLaboratoryforSpecialAreaHighwayEngineeringofMinistryofEducation,Chang′anUniversity,Xi′an710064,Abstract:Thepermafrostsub2gradelarge2scaletestwascarriedoutwithtypicalsoilinpermafrostzonetosimulatetherealfieldcondition.Thispaperformulatedthecontrolequationofnon2steadytemperaturefieldwithphasechanging,analyzedteequationwiththefinite2elementmethodbyadoptingthegridsegmentationofthemixturecellinspacedomainandbythemixturesolutionofthefinitedifferenceformatsegmentationintimedomain,andvalidatedtheaccurateofthemathematicsmodelbynumericallysimulatingtheobservingresults.Byfurtheranalyzingthechangineglawofboththetemperaturefieldofthesub2gradeandthefieldobservingresults,theconsistencyoftheanalyzingshowsthattheindoormodeltestcansimulatetherealstatusofthefieldpermafrostsub2grade.ItprovidesreliableguaranteeforstudyingthechanginglawofthetemperaturefieldKeywords:roadengineering;permafrostsub2grade;simulationtemperaturefield;large2scalemodeltest;numerical工程性质。修筑在多年冻土之上的道路工程,改变了大气与地表的热交换条件,打破了原有的热平衡状态。随着气温不断发生年周期性变化,在多年冻土活动层中发生着季节融化和冻结,并伴生有各种冻土现象1,进而使得沿线道路发生病害,路基的不引言0冻土路基与一般地区路基不同之处在于它依附在以环境温度为生存条件的多年冻土之上,温度及含冰量的多少是决定其强度和稳定性的关键,在一定含冰条件下,温度的高低直接控制着多年冻土的收稿日期:2003202224基金项目:国家自然科学基金项目HU胡长顺松散和局部沉陷、纵裂和横裂等现象时有发生,其间纵向裂缝及不均匀沉降尤为突出。为了控制、减少和治理冻土路基中的病害,必须深入研究路基冻融过程中温度场的变化趋势,正确认识和准确预报温度场随季节变化而变化的规律。目前对于温度场的试验研究过程,大多采用在野外修筑典型试验路段,进行现场长期定点观测2和室内小型模型试验来模拟土冻结过程3。前者观测周期过长,后者由于不是足尺试验,使得土性参数发生改变,不能很好地模拟路基真正的工作环境。本文借助长安大学冻土工程试验室的试验设备,尝试取用多年冻土地区代表性土类进行冻土路基室内足尺试验,以便模拟野外的真实环境条件,进行路基中温度场分布特点和变化规律的研究,并采图2不同时刻路中温度随深度的变化1室内足尺模型试验分析111室内足尺模型试验的测试为了探讨冻土路基温度场的变化规律,课题组于2002年3月1日至2002年3月6日进行了模拟野外状况的室内冻土路基大型模型试验。模型几何尺寸:路基顶面宽2m;高1m;长5m;边坡坡度1∶115。模型材料:青藏公路雁石平段的砂砾土。模型初态:温度约为15℃,无温度梯度。模型温度控制:模型底面采用恒温控制,温度为+5℃;模型表面温度(即模型室空气温度)采用变温控制,温度在+10℃～-25℃范围内,按正弦规律变化,变化周期24h。图3不同时刻路左温度随深度的变化为模型底面以上5cm。测试状态:温度传图1路基横断面图及测温孔孔位布置图感器布设见图1,温度传感器采用高精度热敏电阻温度传感器,测试精度为0101℃。利用空冷器风扇方...