考虑相变作用的冻土路基变形场的数值分析

多年冻土活动层中每年都发生着季节的融化和冻结,并伴生有各种冻土现象。由此产生了多年冻土路基冻胀、融沉、纵向裂缝、反拱及波浪等一系列病害。冻土的冻胀融沉特性是导致道路工程冻害的直接原因,为了进一步定量描述其特性,本文建立了冻土路基变形场的二维数值计算模型,并应用有限元的方法求解路基土体冻结时变形场的分布规律。通过对土基范围内冻胀带对路基土体变形场作用的研究,进一步分析了冻土路基破坏的机理。     

冻土路基温度场、变形场和应力场的耦合分析

基于提出的正冻土三场耦合的理论框架以及所开发的全面考虑正冻土骨架、冰、水三相介质水、热、力与变形的真正耦合作用的分析系统3G2001,对214国道花石峡试验路基实测的地温变化和路基路面变形进行了对比分析验证;根据路面冻胀融沉过程曲线,将冻土路基的变形过程分为4个阶段,即剧烈冻胀阶段、冻胀持续稳定阶段、剧烈融沉阶段和融沉持续稳定阶段,揭示了冻土路基冻胀融沉的热力学内在机制。对比结果显示:分析所得的路基温度场与实测值变化规律一致,其量化相差在10%~20%以内;分析所得耦合变形随时间的变化与实测值相一致,路中的分析变形值与实测值相差也在允许范围内。     

联络通道冻结法施工三维力学分析

应用人工冻结土体技术开挖隧道的联络通道,涉及到土体冻结的热力学作用以及冰冻土体与隧道结构相互影响等一系列复杂的物理力学过程。采用FLAC3D建立主隧道、联络通道及冻结管的三维数值模型,综合考虑了温度计算、冻土与非冻土的转变及土体的冻胀作用,研究了人工冻结法对隧道管片及周围土体的力学响应。通过对冻胀率参数敏感度分析,研究土体冻结变形、冻胀力及隧道管片内力的变化,所得到的初步结果对冻结法施工有着实际的工程意义。     

不同冻结方式下高山草甸区路基冻胀变形研究

为了研究不同冻结方式下高山草甸区贡觉～芒康公路路基季冻土的冻胀变形特性,基于室内冻胀试验,分析了路基土在单向冻结和周围冻结条件下的冻胀变形特性。试验结果表明:两种冻结方式下,土中含水率、细颗粒含量与冻胀变形率均为正相关关系;在含水率、细颗粒含量相同的情况下,土在单向冻结情况下的冻胀率小于周围冻结的冻胀率;实际工程中设计路基土级配时,初始含水率宜控制在最佳含水率即8%左右,土中细颗粒含量宜控制在9%左右;在单向冻结情况下,土中初始含水率和细颗粒含量均对土的冻胀变形率有明显影响,初始含水率的影响更明显;在周围冻结情况下,初始含水率对土的冻胀变形率有明显影响,细颗粒含量对土冻胀变形率无明显影响。     

冻融循环作用下多年冻土区公路路基三场耦合分析理论模型

冻土体在冻胀、融沉过程中受控于土体中的水、热、力的变化规律,其本质是冻土多孔介质中颗粒、冰晶体、未冻水这3种物质在温度势、土水势、压力与变形等外界因素作用下的相互运动、迁移、扩散与相变。基于饱和冻土冻融循环过程中,土水体系冰-水相变及未冻水的迁移规律,采用热物理学基本原理,推导了冻土水、热、变形三场耦合的理论架构模型与基本方程。同时选取青藏公路典型路面建立冻土路基二维数值计算模型,对其趋势和规律进行了初步分析,验证了构建的三场耦合理论框架的合理性和可行性。     

季冻区悬臂式支挡路基温度场和应力场数值分析

路基土体冬季冻结体积膨胀，夏季融化产生沉陷，使路基常有病害发生，严重影响行车安全。L型挡墙作为一种轻型柔性预制支挡结构在适应冻胀融沉交替变形中有较大优势。运用有限元软件模拟季节冻土区悬臂式挡墙路基温度场与应力场分布，得到温度场曲线为一簇S型曲线，得到冻胀力分布规律为沿墙自上而下呈上小下大的三角形分布。     

多年冻土区路桥过渡段变形及地温场试验

根据多年冻土区路桥过渡段路基在竣工后3 a内的现场试验数据,分析了路基不同位置的地温变化、路基基底沉降变形和路基不同位置沿横向及纵向的沉降变形规律。结果表明:采用粗颗粒土填筑的过渡段路基对多年冻土区土体有明显的冷却效果,可防止多年冻土上限的下降;路基阳坡的沉降大于阴坡,而沿路基纵向,距离桥台越远路基沉降越大,但路基沿横向和纵向的沉降均满足工程要求;这种粗颗粒土填筑的路桥过渡段可适用于多年冻土区。     

青藏高原多年冻土区站场路基温度场的有限元模拟

在多年冻土区修建铁路站场路基,打破了原来天然地表与外界的热力平衡,地下温度场将重新分布。根据此特征可以推断多年冻土的发展演化趋势以及评定路基的稳定状况,结合实际监测数据,利用AN SY S软件对路基下温度场进行有限元数值模拟。模拟计算结果表明:路基下冻土上限发生了上移,多年冻土得到了保护;试验段内冻土人为上限和未受路基影响的冻土天然上限均逐年下降;同时,路基阳坡、阴坡两侧地下的温度场分布特征的差异构成了路基不均匀变形和路面裂缝的潜在威胁。     

冻土路基温度场参数优化敏感性分析

热物性参数是冻土路基温度场稳定性分析和评价最重要的一类参数,确定这类参数主要有室内试验、现场试验以及基于实测资料的反演分析等方法.文中建立冻土路基相变温度场的参数反分析模型,以青藏公路高温冻土路基为例,采用单因素分析法对路基填土、最大融化深度内地基土和多年冻土的热物性参数的敏感性进行分析与评价.结果表明:最大融化深度内的地基土的体积热容量和冻结状态的导热系数等参数敏感性最强,填土和最大融化深度内的地基土的相变潜热等为较敏感参数,而各土层融化状态的导热系数等为不敏感参数.研究结果可作为冻土路基温度场参数选取和反演的参考依据.     

冻区盐渍土水热耦合效应及对力学性能的影响

水份迁移和温度场变化是引起路基冻胀融沉的直接因素.针对冻区高氯盐渍土,经水热场耦合作用后水份迁移和温度场分布规律进行了室内动态试验,研究了水热耦合作用对力学性能的影响.结果表明:单向冻结过程中,水份向温度较低的地方迁移,迁移量随土体深度的增加而增加;水热耦合作用后的土体冻结强度有不同程度上升,提升后的强度随土体深度增加而降低,远离冻区端因盐晶析出导致土冻结强度有所回升.     

多年冻土区宽幅公路路基的温度特性模拟分析

为研究多年冻土区G214高等级公路中隔热层、片石层对24 m宽路基的热影响效果,根据多孔介质的热对流及考虑相变的传热理论,分别对两种结构路基的温度场进行了模拟分析。计算结果表明:当路基宽度从12 m增加到24 m时,隔热层厚度应从10 cm增加到30 cm才可确保路基下冻土上限的稳定,但保温层所产生的热积累效应将使路基下冻土温度明显升高,且高温冻土核范围较大。从工程措施的可靠性及工程费用角度考虑,EPS隔热层不适用于G214宽幅路基中。如采用厚度大于1.8 m的片石层,则可稳定路基下冻土上限和增加冻土的冷储量,但同时要加强对路基边坡的热防护。     

青藏铁路多年冻土区路基排水沟病害防治分析

通过现场调查,青藏铁路多年冻土区路基排水沟的破坏主要表现为渠道混凝土板的酥化、破裂及渠内渗水和积水。而造成排水沟病害的主要原因为气候条件及施工质量、土体往复的不均匀冻胀融沉、冻结层上水。青藏铁路多年冻土区路基排水沟的病害防治措施应从控制土体冻胀、融沉和采用可适应土体不均匀变形的渠道结构两方面考虑。     

热扰动对冻土区片块石路基热状态变化特性的影响研究

随着我国现阶段的公路建设里程不断增长,相较于常规平原地区,高寒冻土区公路建设过程要克服冻土路基带来的各类不良影响。针对热扰动对冻土区片块石路基带来的影响进行深入研究,在分析该区域高等级公路路基状态的过程中,采集片块石路基的温度状态、吸放热状态和冻融循环状态等方面数据,探讨了其热状态变化的整体规律。研究结果显示:片块石路基在冻土区有着很好的热稳定性作用,可实现主动冷却作用;片块石路基能通过加快温差空气间的流通速度,避免热扰动对路基温度产生过于明显的影响,从而减少热扰动所带来的各类路基病害;片块石路基正下方的最大融化深度正逐步提高;片块石路基的阴阳面存在吸放热不平衡的情况,阳面路肩吸放热量达到阴面路肩吸放热量的2.7倍,阳面坡脚吸放热量达到阴面坡脚吸放热量的2.3倍;随着片块石路基阴阳面吸放热不平衡的发展,其对应的阴面冻土升温速度小于阳面冻土,阴面冻土上限发展程度同样小于阳面冻土。     

季节性冻土区混凝土基床控制冻胀变形规律研究

季节性冻土区高速铁路采用混凝土基床控制路基冻胀变形，已取得了良好效果，但在季节性冻土区气候环境下还存在翘曲变形问题。结合工程实例，以混凝土基床路基为研究对象，开展混凝土基床变形控制试验研。结果表明:聚氨酯板具有减小混凝土基床冻结深度，抑制冻胀量的作用，其厚度越大防冻胀效果越好，但增加气凝胶保温毡厚度，不能明显减小混凝土基床的冻结深度和缩短冻结周期。     

季节冻土区高速公路路基含水状况与冻害调查

冻胀形成的纵向裂缝和道路翻浆导致的沉陷鼓包及车辙变形是季节冻土区高速公路路基冻害的主要形式。野外调查的大量资料表明,地下水是导致路基冻害的最积极活跃的因素。它不仅侵袭软化路基,增加其冻胀,而且侵袭防冻砂砾层甚至底基层,使其失去防冻作用和辅助承载作用,致使道路翻浆破坏。这种水分来源不一定都是地下水由下向上的竖向迁移,地面水也可通过路肩边坡、失效排水沟、路面裂缝和中央分隔带等部位侵袭到路基中来,从而使路基土和结构层材料性能恶化。     

季节冻土区高铁路基保温层稳定作用研究

针对西宁至成都高铁若尔盖湿地段路基工程，基于传热方程、水分迁移方程与力场平衡方程建立季节冻土区高铁路基冻胀的水热力耦合模型，对比分析普通路基和保温路基的温度、水分和位移特征差异。结果表明：保温层有效降低路基的冻胀量，同时减小左右路肩的冻胀量差；保温路基与普通路基的总含水量分布相似，由于保温层将冻结锋面完全阻止在保温层内，其冻深远小于普通路基。     

寒区高速公路路基填料冻胀特性的试验装置及方法

共和至玉树高速是我国在青藏高原多年冻土区修筑的第一条高速公路,建成后对于维护边疆地区的稳定和促进藏区的发展具有重要的意义。提高冻土区路基的稳定性是保证公路良好运营的最基本条件,以共玉高速公路多年冻土区路基填料为研究对象,通过现场调查和室内试验相结合的方法,根据填料冻胀特性要求,按照粒径大小确定出了路基填料的分类标准;总结出了适用于多年冻土区路基填料冻胀特性的试验方法;确定了最适宜的粗细填料冻胀特性试样高度;根据得出的路基填料冻胀试验的最小的试样几何尺寸数据,设计并试制出了用于测试路基细、粗填料冻胀试验制备试样的两类试模,同时在试验中引入压实度的因素使试验与实际更为吻合,解决了现阶段无法解决的冻土区填料冻胀试验的难题,为以后开展路基填料冻胀特性试验研究工作提供了依据。     

施工季节对高寒冻土沼泽湿地路基热稳定性的影响

高寒冻土沼泽湿地对温度极为敏感,在该区域修筑路基易发生不均匀沉降变形,而路基修筑的施工季节是影响路基热稳定性的重要因素之一。为研究最佳施工季节和季节选定对路基热稳定性的影响,以省道224线二道沟兵站109岔口至治多段为依托,针对抛填片块石处治高寒冻土沼泽湿地的典型路基处治方式,建立有限元模型,分析春、夏、秋3个施工填筑季节对高寒冻土沼泽湿地路基热稳定性的影响。结果表明,路基中心和坡脚处的温度随着深度的增加逐渐降低,同一深度处路基中心处温度高于坡脚处温度,随着运营时间增加,冻土上限降低,路基中心处的冻土上限明显更低。在夏季施工填筑时引起的冻土上限下降值在相同位置处是秋季施工填筑引起冻土上限下降值的1.3~2.5倍。故认为秋季为最佳施工季节,秋季施工对路堤底部的热稳定性影响最小,夏季施工影响则最大,春季介于两者之间。     

青藏公路热棒路基在多年冻土地区降温效果分析

青藏公路多年冻土地区路基病害是制约青藏地区道路发展的一个重要问题。热棒是防止多年冻土路基上限下降的措施,为了研究热棒路基的降温效果,动态监测青藏高原五道梁地区百米路基试验路段的温度变化,通过与一般路基对比,分析了热棒路基在多年冻土地区的降温效应。研究发现:热棒路基能够有效地降低路基温度、保护冻土和增强路基热稳定性。