多年冻土地区路基温度场的数值模拟研究

本文以五道梁地区典型路基为研究对象,对多年冻土地区路基温度场进行数值模拟,研究了不同上垫面类型对路基温度场的影响。结果表明:季节冻结过程的特点主要是单向冻结和双向融化,上边界负温变化大而下边界正温变化小,冻深主要受上边界制约。季节融化过程特点则是单向融化和双向冻结,上边界为正温变化大,下边界为负温变化小,同样主要受上边界制约。位于多年冻土地区的水泥路面结构可把路面的年均温度降低到2.2℃左右。受全球气候变暖的影响,路基各边界处年均温度均呈现上升的趋势,各边界升温速率从快到慢排序依次为:沥青路面、水泥路面、阳坡、天然地面、阴坡。     

多年冻土地区的公路路基温度场研究

以青藏公路为研究对象,采用数值计算方法模拟其多年冻土区路基温度场,对冻土路基温度场的影响因素及其分布进行了分析。最终得出以下结果,路基温度场数值模拟表明,自然上限在第一年为1. 81 m,相对于低路基而言,此时高路基形成冻结核,路基内形成融化楹,随后开始冻结天然地表,边坡和路面的地温高于天然地表,会出现滞后现象。人为上限受边坡影响较小,在寒区道路工程中,边坡坡度不是影响路基热稳定性的主要因素。当修筑完成保温护道后,将会进一步增强天然地表受热面,如果天然地表的温度低于保温护道表面年均温度时,就会增大年平均地温差值。在深度相同时,阳坡土体温度大于阴坡,在路基横断面,冻结线为倾斜的非对称分布。     

多年冻土地区填方路基温度场分布特征

针对多年冻土地区填方路基温度场对路面结构稳定性的影响,建立路面结构有限元数值模型,从填方路基高度、季节变化、地温条件、"阴阳坡"效应4个方面对多年冻土地区填方路基温度场分布特征开展研究。研究表明:坡脚处不同深度位置温度均随时间增长而呈周期性增长,其中0~5年时间内温度增长速率较快,前5年年均增长率约为3.2%~3.5%,第5年之后,温度增长变缓,增长速率约为0.8%~1%;10月的路基外天然地面达到最大融深,路面下融化盘达到最大,路基体处于最不利状态。第5年开始,未回冻融化夹层明显向阳坡侧偏移,普通路基融化盘呈扁平状,阴阳坡路基融化夹层则沿阳坡方向呈长条形;"阴阳坡"路基由于路基两侧温差较大,改变了传统"凸"形融化盘形态,融化峰面阴坡侧高、阳坡侧低,形成了天然滑动坡面,滑动面起于阴坡融化峰止于阳坡坡脚融化盘,10月的融化面处于最不利季节,对路基稳定性造成威胁。研究表明在多年冻土地区路基选择和修筑时,应充分考虑温度场变化对路基及底部多年冻土的影响,填方路基高度要有合理控制区间,考虑"阴阳坡"效应对路基稳定性的影响,做好路基阳坡面的防护措施,研究结果对多年冻土地区公路工程修筑提供参考。     

青藏公路高温冻土区沥青路面下土体热动态分析

利用青藏公路多年冻土区温度的监测资料,分析了高温冻土区普通路基下冻土的热状态及其人为上限的演变特征,并与自然地表下的变化特征进行对比。结果表明:1)沥青路面近地表温度年增幅明显大于自然地表的温度年增幅;2)与自然地表下相比,沥青路面下深部(h>6m)土体具有较小的温度梯度,对外界热扰动敏感;多年冻土温度逐年升高,不利于路基的长期稳定;3)高温冻土路基下浅部土体,冻结期明显小于融化期。融化期时间提前至3月底4月初,而冻结期开始时间与自然地表下均为11月底;融化深度大于冻结深度;4)沥青路面下多年冻土人为上限逐年下降,下降速率快于多年冻土天然上限下降速率,并且在多年冻土顶板上部已经形成贯通的融化层,融化层厚度逐年加厚。     

季节冻土地区阴阳坡路基温度场及变形发育数值模拟

结合季节冻土地区实际气候条件,基于第II类与第III类混合热边界条件,模拟季节冻土地区路基温度场变化规律,分析阴阳坡面温度差异;在考虑冻结锋面位置和形状基础上,引入土体的冻胀率和融沉系数,研究由阴阳坡温度差异引起的公路路基变形发育过程,揭示路基破坏机理。研究结果表明:在有地下水源的情况下,坡向不同而引起的阴阳坡温度差异对季节冻土地区路基横向不均匀变形影响较大;在冻结过程中靠近阴坡的路肩与坡脚变形较大,在融化过程中阴坡边坡顶部处的沉降最大,冻结和融化过程中边坡及靠近阴坡侧路基顶部均易产生张拉破坏。因此,季节冻土地区公路路基在设计与养护时应特别考虑阴坡及靠近阴坡面的路肩,可在阴阳坡面采取不同的设计与养护措施减轻阴阳坡温度差异。     

高纬度多年冻土区路基工后温度变化规律研究

为掌握大兴安岭多年冻土地区路基工后温度变化规律,选取中俄原油管道漠大线林区伴行路典型多年冻土区路基断面,采用DS18B20温度传感器对建成通车后的路基进行为期两年的温度监测,分析研究路基温度变化、冻土年平均地温、冻土上限变化和冻土温度阴阳坡差异。结果表明:路基范围内各测温点不同深度温度随着气温发生年周期性变化,路基浅层温度变化频繁,随着深度增加,路基内温度变化幅度逐渐减小;不同深度土层最低值或最高值温度出现的时间并不一致,下部土层最低值或最高值温度出现时间明显滞后于上部土层;路基冻结时间自11月份开始,至次年的4月中旬随着大气温度的上升开始融化,冻结时间持续5个月左右;多年冻土为热极不稳定冻土类型,且在上覆路基的影响下,多年冻土产生了严重的退化现象,路基下多年冻土的年平均温度升高;在阴阳坡效应的影响下,大气温度对阳坡面路基下地温深度的影响大于阴坡面,阳坡面路基下多年冻土的年平均地温大于阴坡面,阴坡面路基下多年冻土融化时间比阳坡面的少30 d左右。研究结果旨在更有利于我国大兴安岭地区多年冻土路基稳定性问题的进一步研究,为该地区道路工程建设和维护提供参考资料。     

保温护道对冻土路基地温特征的影响

根据青藏公路昆仑山段实际地温观测数据与工程地质特点，建立了路基温度场模拟计算的数学物理模型及其边界条件，运用有限元方法模拟保温护道对路基温度场的影响，并结合青藏公路保温护道段工程试验研究，通过对比分析研究了保温护道对路基地温特征的影响规律。结果表明：修筑保温护道在一定程度上恢复了青藏公路在以往修筑过程中就地取土所破坏的路基两侧冻土环境，对防止融化盘的扩大，减少与减缓路基病害的发生与发展起到了十分积极的作用；相对于未遭破坏的天然地袁而言，保温护道表面条件不利于冻土生存，冻土退化趋势有所加强。从路基热稳定性的角度，设置保温护道虽能有限度地缩小融化盘，其同时增大融化深度并提高年平均地温。人为上限、年平均地温及融化盘等路基温度场特征要素对设置保温护道反应不敏感，因此工程中不应将保温护道作为提高路基热稳定性的主要措施。     

多年冻土路基融沉数值模拟

为考察多年冻土路基在温度变化下的融沉问题,建立了相应的有限元模型。通过选取典型断面,在青藏公路实测数据的基础上进行了路基温度场计算模拟,其结果为后续的路基融沉提供了温度场-力学耦合计算的前提。路基融沉计算模型在导入温度场后,分别进行了自重作用和温度作用下的融深对地基沉降变形影响的计算。结果表明,不同的冻土融深对沉降变形影响不同。多年冻土地区修建公路,应采取措施保护冻土上限,减小路基融化深度。最后,在融沉计算的基础上提取了相应的融沉曲线回归式。     

换填法在处置高寒沟谷区软基中的应用

为了研究换填法在高寒沟谷区的防冻胀效果,通过数值模拟,给出了软土路基合理的换填处理深度,并在宕昌~迭部二级公路K18+100~K18+400段设置了3种不同换填深度的试验段,对温度及路面变形数据进行了监测。结果表明:采用隧道弃渣换填处理1m后的最大季节冻结深度为1.86m,大于未换填路基下的季节冻结深度1.68m。在冷季期间,经过换填处理的路基下部土体较早开始冻结。换填2m的路面变形具有较小波幅的波动,未见明显的冻胀发生;未换填的路面变形则以冻胀变形为主。利用隧道弃渣换填原天然地基的方法在高寒沟谷区软基处置中具有良好的防冻胀效果,可为后续的施工提供参考。     

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.     

路基土水文特征与最小填高浅析

本文针对处于低洼、潮湿段路基应保证的填土高度，剖析了影响路基土干湿类型的因素，及在各因素影响下的最小填高。指出了影响路基土干湿类型是天然地面水文及水文地质情况的综合反映。提出了定量划分天然地面潮湿类型确定路基最小填高并推荐了新的分类。     

路堤温度场与天然地面下温度场对比分析

为研究大气温度对高填方路堤和天然地面下温度场影响特性的异同，依托三淅高速公路工程灵卢段黄土填方试验段，在路堤及天然地面下埋设温度传感器，进行现场跟踪实测，在时间轴和深度轴上分析土体温度的变化规律、变化幅度及大气温度的影响深度。研究结果表明:土体温度变化的滞后性普遍存在于路堤内部及天然地面以下，且浅层变化幅度大，深层变化幅度小；在同一时刻，路堤中存在不同温度变化趋势；在相同深度层中，路堤内部温度变化幅度大于天然地面以下；大气温度对天然温度场的影响深度在4~ 6 m之间，对黄土路堤温度场的影响深度大于10 m     

液氮冻结技术在隧道工作井二次封堵水中的应用

为封堵工作井异常涌水涌砂缝隙,以某隧道新工作井液氮二次冻结封堵水工程为背景,基于液氮气化时剧烈吸热的原理,提出采用液氮土层冻结技术快速冻结封堵涌水的解决思路。研究在初期盐水冻结壁有缺陷存在条件下运用原有冻结管和新增冻结管液氮封水冻结,冻结帷幕形成和冻结孔布置参数的设计、施工流程以及冻结效果。得到以下结论:1)通过温度数据监测得出测温孔最低温度达-30℃;2)C4测温孔数据表明总体冻结壁发展半径超过原设计的0.54 m;3)C5测温孔数据表明,在距地面9.6m处土层温度已达到-10℃,冻结壁发展半径超过0.70 m;4)裂缝处冻结壁有效厚度达到0.85 m,槽壁内侧温度低于-4℃,且随着深度的加大接缝位置处平均冻结温度降低。     

季冻区城市区域道路路基破坏机理分析

本文通过对哈尔滨城市道路路基土含水量、温度监测,引用稠度作为判定路基稳定性的标准,对于有效揭示季冻区城市道路路基破坏机理提供了较为全面的数据、理论依据。城市道路病害产生因素众多,但根治病害较为困难,往往都是在路面结构层范围内作维护,所以,城市道路建设应首先做强路基,避免路面结构层病害的影响。通过路基温度监测,可直观判断本区最大冻深,各冻结层位路基土温度变化规律,冻结线的引入,直观表述冻融过程稳定冻结期、临界冻结期、稳定融化期、冻融临界期4个阶段路基土冻结规律,揭示了地表以下1.3～1.5m范围内处于最后的冻融临界期,自由水分在期间向该层位聚集,并在多点监测数据中得到证明。季冻区城市道路应加强路基土冻结层的处理工作,应在冻结层范围内填筑透水性材料或在冻结层下设置隔水层,作隔水层以上路基排水设计。     

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。     

青藏公路工程条件下多年冻土的变化

为研究工程条件下多年冻土的变化,该文通过青藏公路唐北地区路基温度场的监测资料,对工程条件下多年冻土的上限、冻融过程以及热状态等变化情况进行了分析.研究结果表明,由于沥青路面强烈的吸热作用和较弱的蒸发能力,使工程条件下高温冻土的融化速率、增温速率均大于天然地面,并已出现了融化夹层,对路基稳定性产生了严重影响.     

冻融作用下水分迁移对压实黄土强度影响的宏微观试验研究

在季节性冻土区，冻融作用下土体的水分迁移及其伴生现象会诱发黄土路基发生病害，探明冻融作用下水分迁移对压实黄土强度的影响及其机制，对于黄土地区路基工程冻融病害防治非常必要。采用大尺寸设备对洛川黄土开展单向冻结-双向融化作用下的冻融循环试验，对土体温度场、水分场均加以监测，并在此基础上进行直剪试验和电镜扫描试验。结果表明：土体温度场在每级负温作用下50 h达到稳定，单向冻结完成后冻结深度为46 cm；含水量在冻结区增加，在未冻结区减小，土体融化后水分回迁但回迁量小于冻结时的迁移量；土体剪切强度与含水量分布沿土体轴向呈现出较强的一致性，冻融后土体强度随含水量增加而降低，临界冻结锋面处强度劣化效应最明显；随着冻融循环次数的增大，土体孔隙面积和分形维数均表现为增加，其中微、小孔隙减少，中、大孔隙增加，冻融循环7次后土体微结构基本趋于稳定，土体强度与孔隙面积成反比例关系；土体在冻-融过程中，冻结区水分的显著增加是造成土体强度衰减、孔隙增多的重要原因。     

利用地源热泵防止季节性冻土路基冻解破损的数值分析

为解决季节性冻土区路基结构因冻解破损而发生的各种病害,利用地源热泵系统改变路基结构温度场.以109国道青海省季节性冻土区路基为研究实例,运用ANSYS模拟分析109国道季节性冻土区原始温度场,并分析了地源热泵路基的工作原理及运行效果;介绍了地源热泵系统形式及设计计算中的有关问题,得出地源热泵路基系统的设计参数;利用ANSYS有限元法对地源热泵路基的水平埋管进行模拟分析,通过对比分析得出路堤中水平埋管宜分2层布置(-1m处埋置4根,每管间距为2m;-3.5m处埋置5根,每管间距为4 m).在上述设计方案下,该地区在全年最冷时刻路基易发生冻胀区域的地温超过0℃.通过模拟分析得出,地源热泵路基是一种新型路基结构,该系统对于防治季节性冻土路基冻胀病害具有积极作用.     

多年冻土路基人为上限形态特征研究

该文以青藏铁路多年冻土路基为依托,通过现场测温和地质雷达探测等手段,分析了多年冻土区各种典型路基的人为上限形态特点,提出了青藏铁路多年冻土区各种典型路基人为上限形态分类。研究发现:青藏铁路路基受路基填高、结构形式、走向坡向等因素的共同影响,主要形成3种形态的路基人为上限:A型、B型和C型。A型人为上限面升入堤身形成对路基基底稳定有利的冻土核;B型人为上限面升高至基底原天然地面附近;C型人为上限比天然上限有所上升,但未上升至基底地表附近,仍在原天然地层季节活动层范围内。     

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.