青藏公路多年冻土区片、块石路基试验工程及应用研究

多年冻土区修筑公路等建筑物后,改变了多年冻土地表的冻土水热条件,造成多年冻土融化,路基失稳,导致一系列的公路病害.片、块石利用多孔介质自然对流传热和热屏蔽特性,有利于保护冻土,保持路基稳定性.在研究片、块石路基作用机理的基础上,根据青藏公路K3005 500～K3006 450路段修筑试验工程,分析片、块石路基的工程效果.通过对观测地温数据的分析认为,片、块石路基有效改善了多年冻土区路基下热状况,是一种有效保护多年冻土的工程措施.     

多年冻土区封闭条件下片块石路基降温效果数值分析

片块石路基是多年冻土区公路建设中的一种主动降温的措施,根据多孔介质对流传热理论,对封闭边界的片块石路基温度场进行数值模拟计算,分析在全球气温变暖和沥青路面强吸热特性双重影响下的片块石路基的降温效果,并对其长期热稳定性进行预测分析。结果表明:片块石路基能够很好地发挥"热二极管"效应,寒季增加路基的蓄冷量,暖季可有效阻止外界热空气进入路基,对于防止多年冻土融化、主动保护冻土起到了积极有效的作用;片块石路基在短期内降温效果显著,但从长远分析,片块石单独应用于多年冻土地区公路路基中难以发挥主动降低地温、保护多年冻土和维护路基热稳定性的作用,必须进行补强。     

冻土路基热收支状态尺度效应的显著性分析

基于最大融化深度、基底总吸热量、冻土融化潜热和热融蚀敏感系数四个指标，从高度效应、宽度效应、坡度效应和冻土年平均地温方面综合阐述了冻土路基热收支的尺度效应。同时基于统计学原理，对影响冻土路基热收支尺度效应的因素进行显著性分析，探究多因素交互作用的效应性。结果表明：路基高度对最大融化深度的影响最大，冻土年平均地温对基底总吸热量的影响最大，路基宽度和冻土年平均地温对冻土融化潜热量的影响最大，路基高度和路基宽度对冻土融化潜热量的影响最大。研究冻土路基热收支尺度效应，应综合考虑多因素之间的交互作用。     

预制空心块地温调控技术影响因素试验研究

利用块石层调控路基地温是冻土工程主动冷却路基的一种重要措施,有关块石层的降温性能和对流换热过程是冻土工程应用研究的重要内容之一。试验基于块石层的对流换热机理以及影响块石降温性能和对流过程的因素,提出一种新型的空心块石路基结构,通过室内模型试验对空心块石层的对流过程、温度特性及降温影响因素进行研究,并通过高精度微风速探测,首次获得封闭条件下空心块石层的对流特征和温度特性的关系,实测证实对流换热过程的存在。研究发现,换热过程和换热强度的差异导致温度曲线的非对称性,对流换热是空心块石层降温的根本原因;空心块石层上下表面温差和对流速度大小存在一定的联系,对流速度和对流时间的长短直接影响降温效果;空心块石层降温效果相当显著,并且垂直堆放方式和大尺寸空心块因具有较畅通的对流通道,降温速度更快且效率高,对流放热时间明显延长。该试验研究成果将对该种新型工程措施机理的进一步认识和改进,以及在冻土区高速公路等重大工程建设中的应用都具有指导意义。     

多年冻土区宽幅XPS保温板路基传热特征研究

为研究宽幅XPS保温板路基地温调控效果，对共和至玉树高速公路21.5 m幅宽的XPS保温板路基和幅宽13.5 m热棒-XPS保温板复合路基试验路的冻土地温进行了长期系统的监测。结果表明:宽幅XPS保温板路基冻土上限年下降速率、冻土上限位置升温速率和吸热量分别为宽幅普通路基的76%，62%，55%，然而宽幅XPS保温板路基下伏多年冻土仍以较快的速率发生退化，上限下降速率达到0.5 m/a；铺设黑色路面后，宽幅XPS保温板路基和宽幅普通路基吸热量均增大约1倍；和单一的XPS保温板隔热措施相比，热棒-XPS保温板复合路基对路面下2～5 m范围内土层地温产生调控效果，可有效改善采用单一XPS保温板工程措施的被动吸热状态，提高冻土路基热稳定性。     

青藏高原高温多年冻土区片块石通风路基应用研究

基于青藏公路五道梁段片块石路基与普通路基2年来路基地温现场实测数据资料,对比分析了两种结构路基地温随时间和深度的变化过程。结果表明:传统路基不利于多年冻土的保护,将会引起其下部多年冻土的严重退化,导致路基失稳和路基病害的发生;片块石路基可以有效地降低路基阴阳坡效应造成的路基体内部的温度差异,还可以起到推迟路基的融化时间和降低路基浅层地温的作用,有利于多年冻土的生存和发育,维护路基的稳定。片块石路基具有一定的降温效果,适用于在多年冻土区路基工程中应用。     

路基宽度对多年冻土区透壁式通风管-块石复合路基降温效应的影响

多年冻土区公路路基大多属高温冻土、极易受工程的影响产生融化下沉,多年冻土区宽幅公路聚热效应尤明显,路基宽度的增加会导致路基病害加重,路基稳定性问题已成为青藏道路工程建设亟待解决的关键问题。透壁式通风管-块石复合路基是一种主动降温措施。为研究其在宽幅公路的冷却效果及路基宽度的变化对路基降温效应的影响,基于块石层和通风管中空气的流速场和多孔介质传热的温度场的特征,采用两相物理场耦合关系,在考虑全球气候变暖以及路基两侧阴阳坡的条件下对宽幅公路透壁式通风管-块石复合路基的温度场进行数值模拟,分析路基施工后10年间的降温效应。研究结果表明:相较于素土路基,透壁式通风管-块石复合路基在路基下侧形成稳定冰核,对宽幅公路的冷却效果更为显著,宽度对路基的风速场和温度场影响明显。路基宽度增大,透壁式通风管风速减小,块石层风速增加,冰核面积及其下移深度增长速率变小,路基稳定时间加长,透壁式通风管-块石复合路基的降温效应逐渐减弱。当路基宽度大于32 m时,块石层风速增长速率明显放缓,低温区域面积增长速率及边缘深度下移增长速率下降,路基稳定时间延长,零温线上升高度减小。     

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。     

高原多年冻土区宽幅路基水热传输规律研究

多年冻土区沥青路面的吸热量与幅宽密切相关,因此不同幅宽沥青路面的路基水热变化状况也存在一定的差异。该文基于青藏公路楚玛尔河宽幅路基地温观测数据,对宽幅(13.5m)及窄幅(10.0m)路基不同部位温度场、水分场的变化特征进行了对比分析。研究表明,路基宽度对活动层温度、水分含量的变化有一定的影响,表现出较为明显的聚热、聚水效应。     

针对多年冻土地区的宽幅公路路基变形及稳定性模拟分析

针对多年冻土层地区公路路基易发生沉降变形、裂纹等问题。以某工程项目为对象,通过现场实测数据和有限元法建立不同温度场合宽幅下的公路路基模型,分析公路路基的变形、位移状态。研究结果表明:随着温度降低,宽幅复合式基层路面结构的路基高温区和0℃冻结线逐渐下移,在11月份的路基整体结构层均处于冻结状态,低温作用下导致结构脆性增加,易产生开裂。宽幅复合式基层路面具有显著的"吸热、保温"效应,在路基内部形成范围较大的高温区,导致多年冻土路基结构稳定性下降,在水、热和交通荷载作用下产生结构变形和路基沉降明显大于窄幅基层路面,因此在实际施工过程中,采用窄幅公路路基具有更高的结构稳定性。     

软土地基高速公路扩建中新老路堤相互作用数值分析

采用弹塑性有限元方法分析了老路边坡开挖和加宽部分路堤填筑对老路变形特性的影响。计算结果表明：原有路堤边坡削坡和台阶开挖将会使得老路中心的竖向沉降略有增加，坡脚侧向位移回缩，且不同开挖方式对原有路堤影响不同；加宽部分路堤的填筑将会使得老路中心上抬，路肩点发生较大附加沉降，引起老路路肩与路中心之间产生过大的附加差异沉降，明显加大路面横坡，极易导致对老路路堤、路面的拉裂，降低道路等级，必须采用合适的软基处理方案对加宽部分软基进行处理。另外，宽路堤的变形特性不同于窄路堤，其沉降呈中央小两边大的形式，并且最大沉降位置随路堤高度的增加向路堤中央移动，了解宽路堤变形的这一特性有助于其软基处理方案以及加固效果监测方案的优化。     

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     

抛石护坡保护公路下退化性多年冻土效果现场监测研究

为了验证抛碎石护坡保护退化性多年冻土区公路下多年冻土效果,2003年在214国道建立了抛碎石护坡试验路,并建立了系统的地温监测断面.监测结果表明,抛碎石护坡可以在夏季对路基土体起到保温作用,在冬季可以降低路基土体温度;采用抛碎石护坡措施断面各孔位多年冻土地温保持稳定,多年冻土人为上限也比较稳定;采取抛碎石护坡措施以后,可以降低路基周边温度,增强路基的热稳定性,有利于保护或延缓多年冻土退化,减轻公路路基病害程度.     

路基边坡坡率对路基热稳定性影响

根据能量平衡原理,建立的能够反映冻土温度场变化特征的控制方程。通过对比实测数据与数值计算数据,验证模型的可靠性。利用该模型分析了边坡坡度对温度场的影响。结果表明：随着坡度的减缓,冻土上限有所提高。继续减缓坡度,冻土上限将下降。路堤边坡及坡脚下浅层地温随坡度的变缓而降低,坡度对较低年平均气温的路基温度场影响较小。越是靠近路堤中心线位置,受到路基边坡的影响越大。     

多年冻土区路基融沉变形分析

基于UL描述的大变形固结理论和考虑相变作用的温度场,通过联系方程,建立了大变形融化固结理论。假定未来50年升温2.6℃的条件下,对路基运营若干年后的热、力学状况进行分析。结果表明;路基对冻土上限有一定的抬升。路基中心的变形最大,远离中心的地表处最小。路基变形随着融化范围的增大而增加。此外,不同运营时间的路基变形速率不同。随着年平均地温的升高,路基沉降也随之增大。     

路堤荷载下管桩复合地基设计理论的试验研究

介绍了管桩复合地基在某高速公路软基试验工程中的应用,并简单分析了其加固效果,进而结合已有的研究成果,提出了一套路堤下刚性桩复合地基的设计理论。通过工程实践表明,该设计理论具有在工程实践中推广运用的价值。     

山区高速公路高填石路堤稳定性

在阐述山区高填石路堤填料及其压实后工程力学特性的基础上，结合潭邵高速公路的建设实践，从码砌边坡、内部填石、地基等方面对如何提高高填石路堤的稳定性进行了探讨。认为在设计、施工中可以通过把握好码砌层的厚度、针对不同的地基采取不同的施工措施、控制高填石路堤的压实标准和质量检测方法，加强地基勘察和处理等途径来提高填石路堤的稳定性。     

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。     

佛开高速公路拓宽工程带帽CFG桩软基加固数值分析

采用非线性有限元法,对带帽CFG桩加固的K29+ 020断面软基上拓宽路堤新老路基相互作用、加固效果和铺设路面时间进行了数值分析.结果表明,拓宽路堤表面最大沉降为8.9 cm,发生在左侧新路肩附近,新路软基沉降主要来自于下卧亚黏土层沉降.下卧亚黏土层中超静孔隙水压力最大,带帽CFG桩复合地基固结速率主要取决于下卧亚黏土层的固结速率.新路软基的固结速率大于老路软基.拓宽路堤表面工后出现负坡率,说明CFG桩加固的新路软基刚度过大,CFG桩复合地基设计可进一步优化.