關(guān)于土壤溫度及有軌電車穩(wěn)定性問題的調(diào)查報告

1、關(guān)于土壤溫度及有軌電車穩(wěn)定性問題的調(diào)查報告1.概述與傳統(tǒng)有軌電車相比，現(xiàn)代有軌電車具有車輛性能高、載客量大、安全舒適、快速便捷、節(jié)能降噪、編組靈活等特點(diǎn)1-3。現(xiàn)代有軌電車為介于常規(guī)公交和輕軌之間的中低運(yùn)量的軌道交通系統(tǒng)，可作為大型城市內(nèi)部既有軌道交通的加密線，地鐵、輕軌等軌道交通線路在郊區(qū)的延伸、接駁線，大型城市周邊的衛(wèi)星城（新城）、中小城市的公共交通骨干線，是城市公共交通系統(tǒng)的重要組成部分。圖1 有軌電車結(jié)構(gòu)圖4如圖所示為有底座板的現(xiàn)代有軌電車軌道，其結(jié)構(gòu)類似于無砟軌道，軌道結(jié)構(gòu)主要由槽型軌、軌底底墊、填充材料、道床板、底座板等組成。這種軌道結(jié)構(gòu)與無砟軌道最大的區(qū)別是在兩根鋼軌之間的區(qū)域澆

2、筑了混凝土并且將整個軌道結(jié)構(gòu)埋入道路的鋪面之下，軌頂與路面平齊，可以滿足路面交通共享路權(quán)的需求。 圖2 現(xiàn)代有軌電車軌溫的變化常受地理環(huán)境、氣溫、日照、風(fēng)力、風(fēng)向、濕度等因素的影響5。如果填充材料是泥土，其上為草坪，由此涉及到一個問題：鋼軌為易導(dǎo)熱材料，土壤溫度的變化會迅速傳遞到鋼軌上，從而造成鋼軌溫度分布變化，較大的溫度變化幅度使得有軌電車軌道結(jié)構(gòu)可能存在穩(wěn)定性問題。為此，本報告在查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對如下兩方面問題進(jìn)行了總結(jié)。（1）關(guān)于土壤溫度分布問題的調(diào)查和總結(jié)；（2）關(guān)于有軌電車穩(wěn)定性問題的調(diào)查和總結(jié)。最后，綜合調(diào)查資料，對上述兩方面問題提出了筆者的一些建議。2 土壤溫度分布的調(diào)

3、查和總結(jié) 土壤的溫度變化特征主要參考了氣象學(xué)與農(nóng)業(yè)氣象學(xué)基礎(chǔ)和農(nóng)業(yè)氣象學(xué)6, 7 。2.1土壤溫度日變化特征土表日間增熱和夜間冷卻引起土壤溫度的晝夜變化，一日中土表的最高溫度出現(xiàn)在13時左右，比太陽輻射量最大的時間稍落后。其原因是，正午以后太陽輻射雖然減弱，但土壤表面吸收的太陽輻射仍大于其由長波輻射和分子傳導(dǎo)、蒸發(fā)等方式所支出的熱量，即此時土壤表面的熱量差額仍為正值，所以溫度仍繼續(xù)上升，直到13時左右，土壤表面的熱量收支達(dá)到平衡時，其溫度才達(dá)到最高值。此后，土表得熱少于失熱，溫度逐漸下降，至次日日出前，熱量的收支達(dá)到平衡，出現(xiàn)一日中的最低值。由于土表與下層土壤進(jìn)行熱量交換，因此下層土壤的溫度也

4、有日變化。與土表溫度變化相比較，土壤表面溫度日較差最大，越向深層，較差越小，至一定深度后，較差為零。該深度為日變消失層（或稱日溫不變層）。土溫具有日變化的深度變化在土壤表面至35100cm之間：隨深度的增加，最高、最低溫度出現(xiàn)的時間落后2.53.5h。地表有植物覆蓋時，各深度的日較差都減小。土壤溫度日較差主要決定與地面凈輻射的日變化和土壤熱特性，同時還收湍流熱交換的影響。所以，云量、風(fēng)和降水對土溫的日較差影響很大，晴天日較差大，陰天日較差?。伙L(fēng)加強(qiáng)了地面和大氣之間的熱交換，使土溫日較差減小。土壤溫度日變化的深度不是固定不變的，它隨緯度、季節(jié)、土壤熱特性而異。一般說來，凡熱量收入多的地區(qū)和季節(jié)，

5、向下傳遞的熱量多，日變化消失層深。例如，低緯度日變化消失層深于高緯度；夏季深于冬季；熱導(dǎo)率較大而熱容量較小的土壤其日變化消失層比熱導(dǎo)率小而熱容量大的土壤深。（a） （b）圖3 土溫日變化如圖所示，為不同深度土溫日變化曲線，圖a中，最高溫為20，最低溫為2，相差18；圖b中，最高溫為55，最低溫為18，相差37。通過上述數(shù)據(jù)可以看出，土壤溫度具有變化性，其影響因素主要有季節(jié)、日光輻射量、緯度等等。2.2土壤溫度年變化特征在中、高緯度，土壤表面溫度年變化的特點(diǎn)是：一年中，最熱月在7月或8月；最冷月在1月或2月。在熱帶地方，溫度的年變化隨著云量、降水的情況而變化，如印度6、7月份正是雨季，太陽輻射到

6、達(dá)地面較少，因而最熱月并不在7月而在雨季開始前的5月。一年中，最熱月的月平均溫度與最冷月的月平均溫度之差，稱為溫度年較差或年蝙蝠。土壤溫度的年較差隨著深度的增加而減少，知道一定的深度或常溫層。土壤溫度年變化消失的深度隨著緯度而不同，在低緯度處一年中地面獲得的太陽輻射總量變化不大，該消失層淺，年較差小時于510m處；中緯度地區(qū)消失于1520m處；高緯度地區(qū)較深，約25m左右。各層土壤溫度最熱月和最冷月出現(xiàn)的時間隨深度的增加而延遲，每深1m約延遲2030d。（a） （b）圖4 土溫年變化圖為不同深度土溫年變化曲線，圖a中，最高溫為20，最低溫為2，相差18；圖b為北京地區(qū)地溫年變化量，最高溫為28

7、，最低溫為-5，相差33。2.3 土壤溫度的垂直分布由于土壤中各層熱量晝夜不斷地進(jìn)行交換，使得土壤溫度的鉛直分布具有一定的特點(diǎn)。觀測證明，不論是植被下的或裸露的土壤，抽噎的溫度前值變化基本上可以歸納為四種類型：放熱型；受熱型；清晨轉(zhuǎn)變型；傍晚轉(zhuǎn)變型。放熱型可以01時為代表，此時土壤溫度溫度隨深度增加而升高，熱量由下向上輸送；受熱型以13時為代表，此時土溫隨深度增加而降低，熱量從上向下輸送；清晨轉(zhuǎn)變型可以09時為代表，此時在5cm深度以上的是受熱型，5cm以下是放熱型；傍晚轉(zhuǎn)變型可以19時為代表，即上層為放熱型，下層為受熱型。圖5 土溫垂直分布日變化2.4 土壤溫度梯度8劉士軍在高寒凍土區(qū)土壤溫

8、度垂向變化特征分析一文中對漠河2000至2005年逐月土壤溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，從中選取0cm，-40cm，-80cm和-160c四個深度點(diǎn)的逐月土壤溫度觀測資料，從不同角度繪制土壤溫度變化曲線，對不同深度土壤溫度的逐月變化規(guī)律，變化幅度、垂向梯度大小等問題進(jìn)行了研究分析，得出土壤溫度的垂向變化規(guī)律以及土壤溫度隨時間的變化規(guī)律。（a） （b）圖6 土溫變化圖圖a為不同深度不同月份土壤溫度變化曲線，從圖a中可以看出，土溫分布并非線性分布，其大致為指數(shù)函數(shù)的分布方式。圖b為6年數(shù)據(jù)整理而得的地溫梯度，土壤溫度垂向梯度的大小，表征土壤溫度垂向變化的快慢。梯度越大，表明土壤溫度垂向變化越快，反之越慢

9、。通過對圖3不同深度的土壤溫度曲線的分析可知，-40 cm至0 cm的梯度較大，-80 cm至-40 cm和-160 cm至-80 cm的梯度較小而且較為接近。2.5 溫波方程9土壤溫度的周期性日、年變化曲線非常有規(guī)律，呈現(xiàn)正弦曲線形態(tài)，所以可用土壤溫波方程來描述地面以下任何一個深度，任意時刻的溫度。土壤溫波方程的一般表達(dá)式假定土壤結(jié)構(gòu)是均一的且無限深。由溫波方程可知，土溫梯度變化隨深度增加呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)遞變化，其影響深度可通過溫波方程進(jìn)行計(jì)算。例如，取平均溫度 為34，幅值為11，粘土（孔隙率40%）的日衰減系數(shù)D為0.07m，帶入公式，可得到不同土壤深度隨時間的變化曲線。（a） （b）圖7

10、土溫變化圖從圖a中可以看出，隨深度增加，各個溫度曲線均有不同程度的滯后，當(dāng)土壤深度達(dá)到0.2m時，其溫度變化非常小，即0.2m深處為日溫恒定層。圖b為土壤溫度隨土壤深度變化曲線，在1時和13時，其曲線大致為指數(shù)函數(shù)，在9時和19時，其曲線為復(fù)合函數(shù)。李沙等在西南亞高山森林土壤表層溫度變化特征及擬合模型10中，基于氣象學(xué)土壤溫波方程，結(jié)合土壤初始溫度模型，對西南亞高山不同月份不同土壤剖面的溫度日變化建立復(fù)合三角函數(shù)模型，并利用實(shí)測數(shù)據(jù)擬合求得土壤導(dǎo)溫系數(shù)、土壤溫度滯后時間等的參數(shù)值。圖8 亞高山3、6、9、12月土壤溫度實(shí)測值與模擬擬合值擬合結(jié)果表明，土壤溫度年變化模型對于低溫生態(tài)系統(tǒng)非凍融期的

11、土壤剖面溫度日變化擬合效果較好，與已經(jīng)報道結(jié)果類似。擬合參數(shù)值顯示，隨著土壤剖面深度的增加土壤溫度達(dá)到極值存在明顯的滯后效應(yīng)，不同土層的導(dǎo)溫系數(shù)不同，同一天中導(dǎo)溫系數(shù)隨著土壤剖面深度的增加而不斷增大，夏季與冬季土壤剖面的導(dǎo)溫系數(shù)差異顯著，這可能因?yàn)槎鞂?shí)驗(yàn)地土壤出現(xiàn)冰凍現(xiàn)象，凍融時期冰水的導(dǎo)溫率直接影響土壤的導(dǎo)溫系數(shù)。2.6 城市地表溫度觀測11為了比較城市不同地表類型所形成的局地小氣候環(huán)境差異，王修信11等人選取水泥廣場、瀝青道路、草地、林地、裸土等城市典型下墊面，在夏季晴天天氣使用自動紅外測溫儀、空氣溫濕度探頭觀測地表溫度、近地表空氣溫濕度的日變化，數(shù)據(jù)表明不同地表類型地表溫度的差異直接影

12、響近地表空氣溫濕度的日變化而存在差異。與林地相比，瀝青道路、水泥廣場、裸土地表溫度最高值高 23，氣溫最高值高 6以上，空氣相對濕度最低值低 5%；草地的地表溫度與氣溫最高值分別比林地高8、3，空氣濕度略低于林地。夜間 24:00，水泥廣場、瀝青道路地表溫度分別比林地高 10、6，使氣溫比林地高 3以上，空氣相對濕度比林地低 10%，出現(xiàn)顯著的城市熱島12現(xiàn)象。圖9地表和空氣溫度變化圖表1 地表溫度、大氣溫度和濕度數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)可知，最高溫度上，草地的地表溫度低于水泥廣場和瀝青道路，高于大氣溫度。溫度由大到小依次為：水泥或?yàn)r青或裸土>草地>空氣。3 有軌電車的穩(wěn)定性問題的調(diào)查和總結(jié)3.

13、1兩種軌道結(jié)構(gòu)型式目前，有軌電車軌道結(jié)構(gòu)型式主要有兩種：普通軌道結(jié)構(gòu)和嵌入式軌道結(jié)構(gòu)，下面予以分布介紹。1.普通軌道結(jié)構(gòu)圖10 普通軌道結(jié)構(gòu)普通軌道結(jié)構(gòu)可將軌道埋置于土壤內(nèi)部或暴露于空氣中，采用扣件扣壓鋼軌，以達(dá)到對鋼軌的幾何型位進(jìn)行固定的目的。該種型式的鐵路具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡單，施工迅速；（2）可維修、易維修，鋼軌和扣件更換方便；（3）可選擇的鋼軌和扣件范圍廣，種類多；2.嵌入式軌道圖11 嵌入式軌道結(jié)構(gòu)嵌入式軌道結(jié)構(gòu)的鋼軌放置于承軌槽內(nèi)，通過填充高分子材料實(shí)現(xiàn)了鋼軌與道床板的連接，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的扣件連接方式存在很大差異，使得鋼軌在三個方向上均實(shí)現(xiàn)了連續(xù)彈性支承，減振降噪效果明顯。嵌

14、入式軌道結(jié)構(gòu)13具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）鋼軌完全由凹槽內(nèi)高分子彈性材料和軌下彈性墊板固定和支承，實(shí)現(xiàn)了鋼軌的連續(xù)彈性支承；（2）使用壽命長，壽命可達(dá)30年以上；（3）建設(shè)成本低，施工方便快速；（4）可以達(dá)到少維修甚至無維修；（5）減振降噪效果好；軌道結(jié)構(gòu)高度低；（6）支承剛度可調(diào)性強(qiáng)，且適用于任意型號鋼軌；具有較強(qiáng)的耐腐燭性和絕緣性。3.1 嵌入式軌道的穩(wěn)定性問題秦超紅14對嵌入式軌道進(jìn)行了相關(guān)研究并得到以下結(jié)論：（1）線路初始不平順主要包括曲線半徑、初始不平順矢度和初始不平順弦長，其中初始不平順矢度和初始不平順弦長對其穩(wěn)定性影響較小，曲線半徑對其穩(wěn)定性影響較為明顯。曲線半徑越小，鋼軌穩(wěn)定性越差。

15、在半徑大于200m的曲線地段，嵌入式軌道可以直接鋪設(shè)無縫線路;在半徑小于200m的曲線地段，應(yīng)根據(jù)周圍具體環(huán)境情況，在采取相應(yīng)加固措施的基礎(chǔ)上鋪設(shè)無縫線路。（2）嵌入式軌道鋼軌的連續(xù)彈性支承使得初始不平順(包括初始不平順矢度和初始不平順弦長對鋼軌穩(wěn)定性的影響較小。在其他條件相同的情況下，鋼軌橫向位移隨初始不平順矢度的增大而增大，隨初始不平順弦長的增大而減小，但變化幅度不大。（3）高分子材料對鋼軌穩(wěn)定性影響顯著，高分子材料對鋼軌穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在髙分子材料橫向剛度、高分子材料失效長度以及高分子材料橫向阻力局部降低三個方面。（4）鋼軌橫向變形曲線同樣受到高分子材料橫向剛度、失效長度和橫向阻力局

16、部降低的影響。鋼軌橫向位移隨著橫向剛度的降低而增大，但鋼軌橫向變形曲線相似。隨著失效長度的增加，鋼軌橫向位移逐漸增大，失效長度為0.6m時的鋼軌橫向位移約為正常情況時的1.94倍，失效長度為1.0m時的鋼軌橫向位移約為正常情況時的3.11倍。遺憾的是，該文獻(xiàn)并未考慮溫度變化對高分子材料各項(xiàng)性能的影響，認(rèn)為溫升過程中高分子材料橫向剛度未發(fā)生變化，在以后的分析中可以進(jìn)一步研究溫度變化對高分子材料的影響。3.2 普通軌道的穩(wěn)定性問題采取普通軌道的有軌電車軌道，與大鐵路不同的是，支撐層通常不使用道砟，其曲線半徑一般來說較小，通常該種形式軌道設(shè)置于城市綠化帶之中，兩邊填充有土壤。由此考慮的問題主要有以下

17、幾點(diǎn)。(1)曲線半徑。有軌電車曲線半徑較小，最小有30m曲線半徑15，小半徑曲線可能對有軌電車軌道穩(wěn)定性影響較為明顯。在小半徑曲線地段，應(yīng)根據(jù)周圍具體環(huán)境情況，在采取相應(yīng)加固措施（如軌距拉桿16和護(hù)軌17等）的基礎(chǔ)上鋪設(shè)無縫線路。(2)喪失穩(wěn)定的主要因素。喪失穩(wěn)定的主要因素是溫度壓力與軌道初始彎曲5。由于溫升引起的鋼軌軸向溫度壓力是構(gòu)成無縫線路穩(wěn)定問題的根本原因，而初始彎曲是影響穩(wěn)定的直接因素，脹軌跑道多發(fā)生在軌道的初始彎曲處。因而控制初始彎曲的大小，對保證軌道穩(wěn)定有重要作用。(3)鋼軌溫度。由土壤溫度調(diào)查（2.12.4小節(jié)）可知，土壤溫度具有沿深度方向?yàn)橹笖?shù)函數(shù)分布，隨時間呈正弦函數(shù)變化的特

18、征。但是，土壤和鋼軌的熱傳遞系數(shù)不同，鋼軌上表面裸露，溫度較高，由此造成鋼軌垂向的溫度梯度，鋼軌熱傳遞快于土壤，其升溫和降溫速度較快，鋼軌上下表面不一定會產(chǎn)生較大的溫度梯度，建議對該種情況的溫度分布進(jìn)行實(shí)測。(4) 扣件失效。草坪中，扣件和鋼軌會受到土壤不同程度的侵蝕，如果一組或幾組扣件失效，尤其是在小半徑曲線段，對其穩(wěn)定性可能產(chǎn)生一定的影響。除此之外， 草坪的排水系統(tǒng)、生長空間、草皮種類等均應(yīng)該被考慮在內(nèi)。4 總結(jié)和建議本報告在查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對土壤溫度分布問題和有軌電車穩(wěn)定性問題進(jìn)行了調(diào)查與總結(jié)?，F(xiàn)對所調(diào)查的內(nèi)容進(jìn)行簡單總結(jié)并提出建議如下。4.1土壤溫度隨著太陽輻射晝夜或季節(jié)變化

19、，地表溫度亦隨之發(fā)生周期變化并傳遞到土壤深處。通過查閱農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境等各方面資料，初步了解了土壤溫度分布的形式，探索了溫波方程的計(jì)算方法并得到以下結(jié)論：（1）由土壤溫度調(diào)查（2.12.4小節(jié)）可知，土壤溫度具有沿深度方向?yàn)橹笖?shù)函數(shù)分布，隨時間呈正弦函數(shù)變化的特征并滯后。（2）土壤熱擴(kuò)撒率K不盡相同（與土壤濕度、孔隙率等相關(guān)）導(dǎo)致土壤溫度分布相異，可通過溫波方程進(jìn)行土溫粗略計(jì)算。李沙等（2.5小節(jié)）研究表明：非凍融季節(jié)土壤溫度日變化用土壤溫波方程來擬合是有效的；在低溫季節(jié)，10 cm以下土壤剖面溫度用土壤溫波方程擬合誤差較大，土壤凍結(jié)對土壤熱量傳輸影響顯著，溫波方程不適于擬合凍融期土壤溫度日動

20、態(tài)。（3）由2.6小節(jié)可知，城市溫度由大到小依次為：水泥或?yàn)r青或裸土>草地>空氣。另外，城市熱島效應(yīng)有可能使得城市溫度一般比周圍郊區(qū)高1左右，最高可達(dá)6以上。4.2有軌電車穩(wěn)定性隨著有軌電車技術(shù)的不斷發(fā)展及我國城市化進(jìn)程的加快，我國將會有越來越多的城市開始規(guī)劃修建現(xiàn)代有軌電車。目前，有軌電車軌道結(jié)構(gòu)型式主要有兩種：普通軌道結(jié)構(gòu)和嵌入式軌道結(jié)構(gòu)。筆者通過查閱相關(guān)資料，并結(jié)合大鐵路無縫線路穩(wěn)定性（1）由于現(xiàn)代有軌電車具有較強(qiáng)的爬坡能力以及曲線通過能力，其正線線路最小曲線半徑可達(dá)30m，坡度最大可達(dá)60，這遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)鐵路軌道的限值。因此，需要深入研究小半徑地段、大坡道地段現(xiàn)代有軌電車無縫

21、線路關(guān)鍵技術(shù)。（2）嵌入式軌道鋼軌的連續(xù)彈性支承使得初始不平順(包括初始不平順矢度和初始不平順弦長)對鋼軌穩(wěn)定性的影響較小。在其他條件相同的情況下，鋼軌橫向位移隨初始不平順矢度的增大而增大，隨初始不平順弦長的增大而減小，但變化幅度不大。（3）普通軌道喪失穩(wěn)定的一個重要因素是溫度壓力與軌道初始彎曲。由于溫升引起的鋼軌軸向溫度壓力是構(gòu)成無縫線路穩(wěn)定問題的根本原因，而初始彎曲是影響穩(wěn)定的直接因素，脹軌跑道多發(fā)生在軌道的初始彎曲處。4.3建議綜上所述，有軌電車軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題已經(jīng)開始逐漸得到關(guān)注，因此，本調(diào)查報告具有一定的意義。在上述總結(jié)的基礎(chǔ)上，筆者提出以下幾點(diǎn)建議：（1）設(shè)計(jì)中，盡可能的搜到本

22、地區(qū)的氣溫及土壤溫度資料，并根據(jù)資料應(yīng)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。在穿越引起高溫的特殊地段，如地?zé)?、溫泉、暖氣通道等區(qū)域時，應(yīng)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。（2）在對有軌電車穩(wěn)定性檢算中，溫度可以參照國鐵中無縫線路技術(shù)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行，目前的鐵路無縫線路技術(shù)規(guī)范規(guī)定設(shè)計(jì)所用歷年最高軌溫等與歷年最高氣溫加20，最低軌溫等于最低氣溫。城市熱島效應(yīng)使得城市溫度比郊區(qū)略高從而對鋼軌溫度產(chǎn)生一定的影響，設(shè)計(jì)軌溫可根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料進(jìn)行少量增加。（3）城市有軌電車存在大鐵路中罕見的30m小半徑曲線，其扣件的扣押方式和阻力需要開展大量的實(shí)驗(yàn)研究確定相關(guān)阻力參數(shù)和耐久性能，并為有軌電車的穩(wěn)定性研究提供實(shí)驗(yàn)支撐。（4）在溫度力，列車制動力的作用下，長大坡道上變坡點(diǎn)可能存在垂向穩(wěn)定性問題和爬行問題，建議針對實(shí)際工點(diǎn)，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍鉁睾屯翜刭Y料，開展相關(guān)的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究。西南交通大學(xué) 劉觀2014年10月18日參考文獻(xiàn) 1衛(wèi)超. 現(xiàn)代有軌電車的適用