本發明涉及一種地基防護，特別涉及一種考慮熱輻射作用的塊碎石地基導熱計算方法。

背景技術：

1、多年凍土是指地表以下一定深度的地層，其溫度持續低于0℃并保持凍結狀態達兩年或兩年以上的一種特殊地質體。隨著氣候變暖和人為活動加劇，多年凍土加速退化對基礎設施的完整性構成了極大的威脅，造成了復雜多樣的工程病害。根據預測到2050年，北半球多年凍土區現有工程中約30~50%將位于高退化風險凍土地區，近70%地區的現有基礎設施將受到多年凍土退化的影響。為應對氣候變化和人為工程結構對地基多年凍土的影響，已經提出一系列主動冷卻方法，例如塊碎石層、通風管、熱管及其復合結構。塊碎石層由于出色的冷卻降溫效果和施工方便已成為使用最廣泛的主動冷卻方法之一，約占多年凍土區降溫方法的60%。

2、具有顯著冷卻效果的塊碎石層已被廣泛用于保護寒冷地區工程地基下伏多年凍土融化。塊碎石層作為具有一定厚度的高滲透性多孔介質，孔隙空氣由于溫度變化影響密度形成不穩定梯度，導致塊碎石層內部產生對流換熱釋放熱量的過程。而目前對塊碎石層的冷卻機理的研究主要考慮熱傳導和熱對流傳熱過程，但在野外條件下發現熱輻射作用可以在礫石或較粗糙的材料中發生，并在碎石樣品的有效導熱系數測定中（熱傳導和熱輻射的組合）發現環境溫度下有效導熱系數比純熱傳導高97%-209%，而在考慮熱輻射作用的塊碎石層冷卻特性對地基多年凍土的影響分析不足。因此，急需一種考慮熱輻射作用的塊碎石地基導熱計算方法，能夠較準確地分析在考慮熱輻射作用后塊碎石層對地基多年凍土的影響。

技術實現思路

1、鑒于現有技術的上述不足，需要在塊碎石層傳熱過程中增加未考慮的熱輻射作用，本發明提供一種考慮熱輻射作用的塊碎石地基導熱計算方法，所述計算方法包括以下步驟：

2、步驟s1，收集工程所在地區空氣、地溫、風速資料，確定地基土以及填土物理參數，測量地基斷面參數以及塊碎石物理參數；

3、s101，通過氣象站收集工程所在地區的空氣、氣溫及風速資料，并將收集氣溫、風速參數并擬合為周期性邊界條件公式；

4、s102，根據工程設計文件確定地基土以及填土物理參數，計算確定地基土以及填土已凍、未凍狀態時的導熱系數、體積熱容和相變潛熱；

5、s103，考慮到土層在縱向上是無限的，忽略長度方向的不均勻效應，簡化為橫斷面方向的二維各向同性問題，測量地基斷面尺寸，包括寬度、高度、坡度比；

6、s104，根據工程設計文件確定塊碎石材料的物理參數，包括密度、導熱系數、比熱容、等效粒徑、滲透率、慣性阻力系數。

7、步驟s2，計算塊碎石層結構經驗系數以及熱傳導導熱系數；

8、s201，結構參數是塊碎石層中空氣與塊碎石導熱系數比的函數，根據顆粒形狀和膠結的經驗系數，塊碎石層結構參數計算為：

9、；

10、式中，為結構參數；為固相的導熱系數；為液相的導熱系數；為結構參數的經驗系數，當，碎石顆粒結構參數的經驗系數為0.54，當時。

11、s202，塊碎石層熱傳導導熱系數計算為：

12、；

13、式中，為塊碎石層熱傳導導熱系數； n為孔隙率。

14、步驟s3，計算塊碎石層熱輻射導熱系數以及塊碎石層有效導熱系數；

15、s301，塊碎石層中熱輻射僅發生在多孔介質的空隙內且在傳輸過程中強烈吸收輻射，將熱輻射傳遞方程中各項對全空間4π積分即可得到空間微元體的輻射能量守恒方程，塊碎石層全波長的輻射能量方程矢量計算為：

16、；

17、式中：是光譜輻射熱流密度矢量在 x， y， z坐標上的分量。

18、s302，塊碎石層中熱輻射傳播簡化表示為某灰色流體被限制在兩個具有灰色擴散表面的不透明材料的無限等溫平行板之間，輻射熱通量通過擴散灰體之間的熱交換類比獲得：

19、；

20、式中， ε1， ε2為不同表面的發射率； t1， t2為不同表面的溫度， σ為斯特藩-玻爾茲曼常數，數值為5.67×10-8w·m-2·k-4。

21、s303，對于具有類似發射率的表面，輻射熱通量的方程簡化為：

22、；

23、式中， ε為塊碎石層表面的發射率； d為有效粒徑；為平均溫度。

24、s304，塊碎石層的傳熱過程中熱輻射換熱流動方向與熱傳導的流動方向相同，熱輻射傳熱問題簡化為依賴溫度變化的導熱系數的熱傳導問題，計算塊碎石層熱輻射導熱系數：

25、；

26、式中，為熱輻射導熱系數。

27、s305，塊碎石層區域能量方程為：

28、；

29、式中，為比熱容；、為塊碎石層的有效體積熱容、有效導熱系數。

30、s306，塊碎石層局部區域的輻射強度只能受到鄰近位置表面熱輻射的影響且輻射能在被吸收前只能傳播很短的距離，塊碎石層內的輻射熱傳遞成為擴散過程，熱輻射傳遞與熱傳導的方向相同，因此可以通過擴散近似以與傅立葉定律相同的形式表示，塊碎石層有效導熱系數考慮熱輻射作用后為：

31、；

32、式中，為塊碎石層有效導熱系數。

33、s307，塊碎石層區域考慮熱輻射作用能量方程為：

34、。

35、步驟s4，建立塊碎石層模型，計算考慮熱輻射作用的塊碎石層對地基多年凍土的影響并監測相關計算結果。

36、s401，塊碎石層模型模擬計算初始溫度場后，基于氣候升溫條件下的邊界溫度條件和邊界風速條件計算塊碎石層冷卻特性對地基多年凍土的熱狀態影響；

37、s402，通過實測監測點溫度與模擬計算監測點溫度進行對比檢驗模型；

38、s403，通過塊碎石層與土層監測面的熱通量變化、塊碎石層作用50年后的地溫分布圖來評估考慮熱輻射作用下塊碎石層對地基多年凍土的降溫效果。

39、本發明的有益效果在于：本發明從塊碎石層三種傳熱方式共同作用出發，提出了一種考慮熱輻射作用的塊碎石地基導熱計算方法。通過考慮塊碎石層中的熱輻射作用，將塊碎石層的熱輻射傳熱處理表示為均質材料的有效導熱系數（考慮熱輻射作用）以及不依賴于輻射傳遞方程的均質化方法，計算了考慮熱輻射作用塊碎石層對地基多年凍土的熱狀態影響，為寒區工程建設提供理論支撐和科學依據，具有重大的工程應用價值。

技術特征：

1.一種考慮熱輻射作用的塊碎石地基導熱計算方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種考慮熱輻射作用的塊碎石地基導熱計算方法，其特征在于，所述塊碎石層區域能量方程為：

3.根據權利要求1所述的一種考慮熱輻射作用的塊碎石地基導熱計算方法，其特征在于，所述塊碎石層有效導熱系數考慮熱輻射作用后為：

4.根據權利要求3所述的一種考慮熱輻射作用的塊碎石地基導熱計算方法，其特征在于，所述塊碎石層熱傳導導熱系數計算為：

5.根據權利要求4所述的一種考慮熱輻射作用的塊碎石地基導熱計算方法，其特征在于，所述計算塊碎石層結構參數：

6.根據權利要求2所述的一種考慮熱輻射作用的塊碎石地基導熱計算方法，其特征在于，所述塊碎石層的全波長的輻射能量方程矢量計算為：

7.根據權利要求6所述的一種考慮熱輻射作用的塊碎石地基導熱計算方法，其特征在于，所述輻射熱通量通過擴散灰體之間的熱交換類比獲得：

8.根據權利要求7所述的一種考慮熱輻射作用的塊碎石地基導熱計算方法，其特征在于，所述輻射熱通量對于具有類似表面發射率的方程簡化為：

9.根據權利要求8所述的一種考慮熱輻射作用的塊碎石地基導熱計算方法，其特征在于，所述計算塊碎石層熱輻射導熱系數：

10.根據權利要求2~9所述的一種考慮熱輻射作用的塊碎石地基導熱計算方法，其特征在于，塊碎石層區域考慮熱輻射作用能量方程為：

技術總結
本發明屬于地基防護技術領域，具體涉及一種考慮熱輻射作用的塊碎石地基導熱計算方法，該方法包括：收集工程所在地區空氣、地溫、風速資料，確定地基土以及填土物理參數，測量地基斷面參數以及塊碎石物理參數；計算塊碎石層結構參數以及熱傳導導熱系數；計算塊碎石層熱輻射導熱系數以及塊碎石層有效導熱系數；建立塊碎石層模型，計算考慮熱輻射作用的塊碎石層對地基多年凍土的影響并監測相關計算結果。本發明為塊碎石地基的設計計算提供理論基礎，解決了塊碎石層傳熱過程中未考慮熱輻射傳熱影響的問題，可更準確分析塊碎石層冷卻特性對地基多年凍土的熱狀態影響，為寒區工程建設提供理論支撐和科學依據。

技術研發人員：晏忠瑞,陳虹宇,萬旭升,裴萬勝,董元宏,路建國,嚴子成
受保護的技術使用者：西南石油大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24