(绍兴文理学院土木工程学院 浙江 绍兴 312000)

引言

全球性的气候变暖导致了青藏高原等多年冻土区的多年冻土退化、季节性冻土消失。主动冷却冻土成为冻土区工程建设的一个重要指导思想[1]。诸多实验已经研究了散粒体内存在的热传导及自然对流传热机制[2-3]。以下对温度波动条件下碎石层内温度传递特性进行分析。

一、理论基础

碎石层可看成碎石骨架及空气组成的两相物质，研究碎石层内对流的理论基础是孔介质对流理论，它包括三个方程：①能量守恒方程。②动量守恒方程。③质量守恒方程。

(1)

式(1)中各参数代表的意义：u，碎石孔隙空气对流速度矢量；，Hamilton算子；θ0，参考温度；ρ0，参考温度下的密度；Κ，渗透系数；λe，有效导热系数；Ce，有效容积热容量；β，空气热膨胀系数；μ，动力粘滞系数；Ca，容积热容量。

二、实验温度控制条件

碎石试验箱内实际温度变化的正弦函数表达式为：

(2)

其中T表示温度(℃)，t表示时间(h)；温度波动时间为24h一个周期，共进行了6个周期的试验。

三、实验结果分析

不同深度处碎石层内的温度特性

(1)封闭边界条件下碎石层温度随周期变化的不对称性

图1给出了典型位置处0 cm、15 cm、55 cm、95 cm处的温度变化曲线，从95 cm处温度变化对数趋势线可以看出碎石层内的温度变化先急速降温随后趋向稳定状态。在第5周期温度达到最低为-2.20℃。同样的不同深度处的碎石层在均有此规律只是随着深度增加变化趋势减小，最低温度在第5周期15 cm、55 cm、95 cm处分别为-2.48℃、-1.25℃、-1.75℃。碎石层表面温度及试验箱内温度波动以平均温度为界限呈现出对称分布。……