高海拔多年冻土区砂石路面公路的路基温度场特征

为了研究修筑公路对高海拔多年冻土层热状态的影响，开展了新藏公路多年冻土区路段沿线病害调查，在海拔5 400 m地带修筑了冻土地温监测断面与气象监测站点；对气温、地温、辐射强度进行了监测，依据监测结果计算了冻土上限处的热流通量，分析了多年冻土层地温变化特征；基于热传导和热扩散理论，建立了天然地基及普通路基下部多年冻土地温-深度理论预测模型。研究结果表明：多年冻土区公路病害主要由于沥青路面大量吸热导致，热棒、隔热层等主动、被动保护的手段虽有一定效果，但不能改变多年冻土的快速退化；研究区域天然地基与路基中心一天内温差最高达19.66℃,左、右路肩一天内温差最高为4.94℃,天然地基下深层多年冻土温度稳定在-6.0℃左右，路基中心下部深层多年冻土温度稳定在-5.6℃左右，路基下部相较天然地基温度变化更为剧烈，且等温层温度更高；研究区域的辐射强度在一天的10:00～18:00显著增强，在一年的3～6月为辐射强度的顶峰期，浅层地温主要受辐射强度的年周期变化影响；天然地基、路基中心、阴坡路肩与阳坡路肩下部多年冻土层年热流通量依次为-4 001、-14 649、-4 487与58 303 kJ·m     

青藏公路热棒路基降温效能

为了分析多年冻土区热棒路基的工程效果, 定量评价其降温效能, 基于青藏公路热棒路基试验工程近11年的现场监测数据, 分析了热棒路基的地温特征、温度场形态和冻融过程, 估算了阴阳坡影响下热棒附近的水平热收支状况。建立了空气-热棒-冻土地基三维非稳态耦合计算模型, 分析了不同结构形式(单侧直插式、单侧斜插式、双侧直插式与双侧斜插式)的热棒路基的降温效能。实测结果表明: 在热棒作用下, 阳坡侧路基地温可降到-1.5℃附近, 较普通路基地温降低约3.0℃, 阴坡侧路基地温最低达到-2.1℃; 热棒路基经过11年的营运, 阳坡侧冻土上限抬升约0.95m, 基本达到天然地基水平; 阴阳坡两侧热棒的年平均实际功率分别约为69.80、54.07 W, 且热棒路基在最初5年传递能量较大, 第6年后逐渐减小, 此后路基的热状况进入相对稳定的状态。计算结果表明: 双侧直插式热棒路基与双侧斜插式热棒路基第20年冻土上限分别为2.88、1.88m, 而单侧直插式热棒路基与单侧斜插式热棒路基第20年冻土上限分别为3.84、3.46m, 因此, 双侧热棒路基的长期降温效果明显强于单侧热棒路基, 斜插式热棒路基强于直插式热棒路基; 单根热棒的年平均功率为47~56 W, 与试验工程监测结果较为吻合。     

青藏铁路多年冻土区路基温度场的模拟与预测

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．结合青藏铁路某段站场路基实际监测数据，利用ANSYS软件对2002年～2030年地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上移，多年冻土得到了保护；在年平均气温增长0．02℃的条件下，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、阴坡两例地下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．     

高寒冻土区路基变形演化规律与破坏特征

为进一步研究高寒冻土区路基变形破坏演化过程,以漠北公路K6+200断面处的高温高含冰量冻土区路基和K8+200断面处的低温高含冰量冻土区路基为研究对象,在路基不同部位和路基下不同深度处土体埋设温度传感器和变形传感器,研究了高纬度、高寒冻土区不同冻土条件下路基实测温度和变形演化过程及其特征。研究结果表明:在高温高含冰量冻土区,在公路建成2年后,路基下出现了明显的融化盘偏移现象,新建宽幅路基呈现出明显的横向不均匀变形特性,路基下形成了2个融化盘,其中一个明显向路基坡脚处偏移,左坡脚和路中冻土上限明显下降了3~4m,路基下原天然地表处沉降达4~9cm,而路肩处冻土上限基本保持稳定;在低温高含冰量冻土区,在保证一定路基高度的条件下,除了建成初期路基土体存在一定的变形(工后沉陷)外,由路基下多年冻土不均匀融化导致的变形很小,因此,在低温冻土区公路路基稳定性相对较好。可见,研究结论进一步阐释了高温冻土区路基、路面变形严重的成因,为高纬度、高寒冻土区路面结构抗融沉破坏设计和病害防治提供了参考,揭示了高温多年冻土区路基纵裂、沉陷等不均匀变形破坏的特征和成因,相比高温多年冻土区,在保证一定路基高度下低温多年冻土区路基具有相对良好的稳定性,这一结论对于高纬度、高寒冻土区不同冻土条件下冻土路基的设计及病害防治具有重要意义。     

路侧积水对冻土地区路基温度场影响的数值分析

路基内部水分场和温度场的变化是影响季节冰冻路基稳定性的关键因素,基于季冻区冻土路基温度场控制方程,建立了季节冰冻路基模型,计算分析了路侧积水对路中、路肩温度场的影响。研究表明:路侧积水对路基内部温度场的改变有显著影响,路侧有积水的路基温度场的0℃范围比无积水的路基温度场的范围大,而且0℃等值线的深度呈现向下向路基内部扩散的趋势。     

西藏米拉山隧道段路基冻土处理措施浅析

对于西藏高海拔地区公路路基浅层软弱土、路基坡脚季节性冻土处理方面的设计、现场施工方案研究较少,缺乏设计、施工和应用效果方面的研究成果。基于国道318线林芝至拉萨段公路改造工程米拉山隧道段第1合同段K4471+740~K4472+400段路基浅层软弱土、路基坡脚季节性冻土处理资料,分析了地质情况、冻土处理方案和保温护道的设置情况,以及施工方法和注意事项,指出该处理方案能保证路基稳定性及沉降的要求,并保证基底填料的水稳定性。     

废旧摊铺机改为全液压路肩土摊铺机关键技术

对废旧摊铺机进行技术改进,既输料结构、收料斗、液压系统、压实成型装置及配重结构的加装,既实现摊铺路肩土功能也实现摊铺黑色路面加宽及路基加宽功能。利用摊铺机的自动找平、自动控制输料,通过改变摊铺机的输料方向,增设路肩摊铺模板、及振捣压实装置,实现路肩自动输料、自动整平、自动压实功能。这次改造即盘活了报废设备又为道路施工提供了一种节能、环保、高效的路肩土施工新工艺。整机为全液压驱动,优点多,能适应多种尺寸宽度、厚度及压实度要求,属于成型设备。     

加筋土抑制多年冻土区路基工程裂缝的效果评价

不同冻土条件和路基结构将影响冻土区路基裂缝的发生和发展过程．文章分析了多年冻土区路基裂缝产生的原因,从宏观和微观的角度分析了加筋土抑制冻土裂缝的机理．以青藏铁路清水河加筋土路基试验段为工程实例,调查了该区域路基裂缝的形态,并对比分析了不同加筋方式的处理效果．结果表明,在清水河高温不稳定冻土区内,当加筋路堤中竖向加筋间距为0．6m时抑制多年冻土的裂缝效果最为有效．     

路侧积水对青藏公路路基强度的影响分析

为了研究多年冻土地区路侧积水与路基病害之间的关系,基于青藏高原格尔木至拉萨109国道的道路病害调查,研究路侧积水对青藏公路路基强度的影响.从路侧积水与病害位置的对应程度较高,结合SWS-3型连续面波仪的路基强度测试结果,并通过对比无路侧积水时的路基强度测试结果,分析路侧积水使冻土区路基土动弹性模量减小且呈不均匀分布,间接导致路基强度减弱,得出路侧积水是冻土路基不均匀变形、纵向裂缝、波浪变形等病害发生的直接诱因.     

旧路加高城镇道路路基拼接软基设计

以中山市沙港公路改建工程为背景,采用旧路基外侧勘探孔参数和时间因素表示新旧路基下软基不同固结情况,针对新旧路基,采用不同的填筑顺序及加载模型模拟旧路和新拓宽段路基的不同加载历史,解决了旧路加高加宽城镇道路路基拼接软基设计计算问题,可供类似工程路基设计参考.     

青藏铁路路基热蠕变数值分析

青藏铁路的修建,彻底改变了路基下伏土体的热力学状态,加速了多年冻土的退化,导致铁路地基土中产生大片的、力学性质极不稳定的高温冻土层,从而影响铁路路基的结构稳定性.针对这一问题,应用热、力学(蠕变本构)的相关理论,采用数值计算的方法,计算分析了路基修建若干年后的温度、应力以及变形状况.     

青藏高原机场跑道多年冻土地基温度场特征

对比了青藏高原多年冻土地区机场跑道地基温度场与公路路基温度场, 分析了其地基温度分布、温度沿深度的变化以及地基最大融化深度, 研究了宽幅沥青混凝土道面机场跑道地基温度场特征, 对比了不同道面宽度条件下其地基温度分布、不同时间地基温度沿深度的变化以及跑道中部及道肩的最大融化深度, 并基于道面宽度、时间建立了沥青混凝土道面机场跑道道中地基融化深度的表达式。研究结果表明: 多年冻土地区机场跑道地基温度场与公路路基温度场存在明显差异, 机场跑道地基融土核位置更低, 且全部位于天然地面以下, 而公路路基融土核位置相对较高, 可以通过抬高路堤使融土核全部位于路堤内, 便于通风管等温控措施的施工, 可见由于机场跑道无路堤、道面幅度宽等特点, 使得多年冻土地区公路与铁路建设的现有研究成果不能完全应用于机场跑道建设中; 对于沥青混凝土道面的机场跑道多年冻土地基, 随着道面宽度的增加, 跑道地基稳定性降低, 道面宽度每增加1%, 地基0℃等温线约下降0.17%, 地基融土核最高温约上升0.46%, 道中地基融化深度约加深0.19%, 但当道面宽度超过35 m时, 道中地基融化深度趋于平稳; 相对于道中地基温度场, 道肩受道面宽度的影响较小, 当道面宽度超过25 m时, 其地基融化深度趋于平稳; 道中地基融化深度表达式相关系数为0.988 6, 相对误差在1%以内。     

青藏铁路新型路基保温材料应用试验研究

为考察聚苯乙烯泡沫板(EPS)和聚氨酯泡沫板(PU)的工程应用效果,在青藏铁路多年冻土路基试验段进行了现场测试.结果表明,2种新型保温材料均具有较好的保温隔热性能,且PU板优于EPS板,保温性能与板厚之间存在非线性关系.较之对比断面,有保温板的断面基底年平均地温降低,上限抬升,有利于保护多年冻土.动态行车试验表明,保温板路基满足列车以100 km/h的速度运行的安全性与舒适性要求.     

青藏高原高等级道路路基路面温度变化特征

连续观测了青藏高原多年冻土区道路结构不同层位和天然大地不同深度处温度, 分析了不同层位日均温度的时空变化趋势、实时温度的频率分布特性与不同结构层材料的冻融特性。分析结果表明: 空气、面层、基层、路基和天然大地温度年度变化趋势均呈现明显的热季与冷季之分, 转换时间分别是4月份和9月份; 观测周期年内, 沥青混凝土路面路表日平均温度为-17 ℃~40 ℃, 水泥混凝土路面路表温度为-18 ℃~17 ℃, 沥青混凝土路面下的路基顶面以下0.8 m处温度波动范围为-2.8 ℃~6.3 ℃, 水泥混凝土路面下的路基顶面下0.7 m处温度波动范围为-3.4 ℃~5.4 ℃; 空气、沥青混凝土面层、水泥混凝土面层的温度和温度梯度频率分布均呈现出明显的单峰形态, 且峰值对应的温度或温度梯度与相应的年均值存在偏差; 基层、垫层和路基的温度频率分布均呈现多峰并存的形态, 分别与冷季、热季、冷热季转换期相对应; 分析周期年内沥青混凝土路面和水泥混凝土路面的路表冻融次数分别为182、178; 沥青混凝土与水泥混凝土冻结融化持续时间频率分布均呈现主峰+多副峰的形态, 主峰对应的持续时间分别为0~2 h和18~20 h。可见, 在多年冻土区, 可优先选择水泥混凝土路面, 以利于冻土的保护, 沥青混凝土与水泥混凝土配合比设计均应验证抗冻融耐久性能。     

沙漠区风积沙路基水盐迁移规律

以沙漠区风积沙路基土为依托, 检测了典型路面病害路段不同深度试样的化学成分, 基于土水势原理, 分析了路基内盐分与水分的迁移特点; 以95%的压实度分层填筑土样, 采用自制试验装置测试模型土柱的含水率与导电率, 研究了最佳含水率条件下温度梯度对路基内水盐迁移规律的影响。研究结果表明: 病害路段路基土为细沙, 基层与路基土含盐成分均以可溶性硫酸钠与钾盐为主, 在-6℃~0℃会形成Na₂SO₄·10H₂O, 发生体积膨胀, 当遇到外界水分的进入, 就会加剧路基土盐胀和路面隆起破坏; 路基压实一周后, 土样5cm深度处含水率降低了1%~2%, 硫酸根含量降低了0.05%~0.06%, 在35cm深度处含水率升高了0.5%~0.8%, 硫酸根含量降低了0.12%~0.14%, 在重力势与压实的双重作用下, 均质土体出现快速且明显的水盐分层现象; 在外界温度作用下, 土样25cm深度范围内温差为20℃~30℃, 超过25cm深度范围, 温差约为1℃, 随着深度增加, 温度梯度变化量逐渐减小, 最终趋于0;风积沙路基内部水盐分布随深度先降低后增加, 水盐场随深度分布呈现“对勾”状规律; 风积沙路基内部的水盐迁移是由气、液两态混合作用的结果, 在高温作用下, 路基顶面10cm范围内水气迁移占据了主要的迁移方式, 而在10cm以下主要由细沙构成的风积沙内无法形成有效的毛细水上升孔道, 水分主要以薄膜水的形式进行迁移, 在降温作用下, 液态水携带盐分上升, 在路基顶面形成盐分积聚现象。     

新型桩板结构路基在季节冻土区的适用性

针对莫喀(莫斯科—喀山)高速铁路季节性冻土区路基冻胀病害防治问题,提出了铺设保温板垫层的新型桩板结构路基.通过对聚苯乙烯泡沫塑料板(EPS)、聚氨酯板(PU)和挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板(XPS)3种保温材料性能的对比分析,发现新型桩板结构路基中的保温板可采用在保温隔热、隔水防渗和抗压性能方面表现良好的XPS保温板.通过建...     

气温升高对多年冻土地区路基稳定性影响

为了分析在气温升高的状况下冻土退化对东北多年冻土地区路基稳定性的影响,假设气温年增长率为0.05℃,通过ANSYS有限元软件计算了不同地表状况和不同含冰量情况下,多年冻土最大季节融化深度变化,根据不同土质、不同含冰量的融沉系数,计算得到不同含冰量冻土的沉降量.结果表明:在气温逐年升高的状况下,含冰量大的土层沉降量大于含...     

热棒路基降温效应的数值模拟

基于青藏公路冻土路基病害整治热棒试验工程, 建立热棒路基的等效传热模型, 运用有限元方法对其进行数值模拟, 研究青藏公路环境条件下热棒的工作周期、工作状态与作用半径, 并通过对试验工程2 a观测数据分析, 对比研究热棒在冻土路基中的降温效应。研究发现, 热棒在约为5个月的工作周期内并非连续工作而呈波动式, 实际工作时间为工作周期的2/3;热棒路基冬季降温效果明显, 有利于路基土体冷储量增加, 提高路基热稳定性; 热棒在路基中的降温强度, 水平方向随距离增大而衰减, 有效作用半径为2.25 m, 深度方向在热棒蒸发段最大, 降低上限附近季节融化层冻土热融敏感性。结果表明, 青藏公路热棒试验工程中其间距采用4.0 m是合理的, 路基双侧设置热棒优于单侧, 热棒向路基中心斜置更好。