青藏铁路多年冻土斜坡路基失稳变形特性

从力学相似性角度对处于最大融化深度时的冻土斜坡路基进行离心模型试验,获得冻土斜坡路基的失稳变形特性、影响因素及失稳原因。通过天然冻土斜坡的现场试验结果验证基于力学相似性的离心模型试验方案的合理性及试验结果的可靠性。试验结果表明:冻土斜坡路基发生失稳的根本原因是软弱带的抗剪强度不足,致使路基发生较大变形;冻土斜坡路基的变形主要集中在冻融交界面之上的浅层土体,变形骤变点在冻融交界面附近;滑裂面贯穿活动层后沿着冻融交界面;在本试验条件下,合理的路堤中心高度为4.0～5.0 m。     

冻土路基边坡稳定性计算程序开发

寒区边坡稳定性评价的特殊性在于其土体内部温度场的不均匀性。针对寒区边坡特点,提出以冻土物性参数随温度变化作为温度场和应力场的耦合纽带。考虑温度分布对土体力学性质改变及冻融交界面的影响,开发了耦合温度场的冻土边坡稳定性评价程序;并对非圆弧滑面稳定性系数求解中取矩中心的求解做了相应改进。利用开发的冻土路基稳定性计算程序,对坡度为1∶1.5的4 m路基进行了不同地温条件下的工况计算。计算结果表明在评价冻土路基正融期滑坡的稳定性时,采用折线滑面的方法来评价更为科学、严谨。此外计算结果还表明,冻土路基年度最小稳定性并非出现在融深最大的10月份,而是出现在暖季的早期从而形成热融滑塌现象;且年度最小稳定性出现的时间随地温的降低而向后推移。     

109国道冻土路基动力融化固结研究

在冻土路基非稳态温度场控制方程和融化固结理论模型的基础上,以109国道橡皮山地区典型路基土体粉质黏土制做的圆柱体力学模型为研究对象,采用有限元软件ABAQUS建立计算模型,并与室内试验结果对比,提出了土体冻结和融化过程中的温度场和融化沉降的变化规律.研究结果表明:在动荷载作用下,土样变形量随时间而增大,最终达到了稳定形式,而在不同幅值动荷载作用下,土样变形量存在明显差异,在一定的范围内,动荷载幅值大小对冻结土体融化速率作用有限.     

热流固耦合作用冻土路基变形规律研究

为揭示季节性冻土路基温度场、应力场和夏季降雨与冰晶融化所产生的渗流场,三场耦合引起的冻土路基变形与破坏.根据热流固三场耦合理论,提出了考虑相变的温度场、渗流场和变形场耦合的数学力学模型,体现了冻土路基中固体骨架、水、冰三相介质的水、热、力耦合作用;在数值模拟分析中,将路基仅受温度载荷与温度和车辆荷载共同作用进行了比较,得出冻土路基的变化规律,其研究结果对冻土路基的施工和维护有一定指导意义.     

谷间软弱土路基稳定性计算方法研究

山区谷间路基的稳定性计算,目前仍沿用传统极限平衡的方法,未考虑山谷对路基的约束及谷间软弱土对路基稳定性的影响.依据谷间锅底状软弱土层存在形式,以及邻近山体等对路基稳定性约束的影响,确定了谷间软弱土路基稳定性的特征性描述参数以及修正系数计算方案,并得到了在山体与坡脚的距离和不同软弱土形式下的路基稳定性修正系数计算公式.通过工况对比,发现计算结果与采用本文中提出的稳定性修正系数计算出的安全系数两者相近,论证了本文提出的稳定性修正系数计算公式的可行性.     

基于损伤的冻土本构模型及水、热、力三场耦合数值模拟研究

从材料的细观力学机理出发,建立了含损伤的冻土弹性本构模型．对于不同温度和冰体积含量下的冻结砂土,由该模型计算的结果与实测的应力-应变曲线较吻合,建立的冻土损伤本构模型能够较好地描述实际冻土材料的力学性质．利用自行开发的有限元程序,加入所推出的本构关系和所建立的数学力学模型,通过对渠道冻结和冻土路基的水分场、温度场、应力场进行数值模拟计算,得到了比较准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦合的计算结果,与前人的计算及实测结果相吻合,规律一致．算例表明该程序能够计算冻土材料的相关物理量,且能很好地描述它们之间的关系．研究在前人的工作基础上,结合青藏铁路路基工程,通过对冻土水、热、力三场耦合机理这一固体力学学科领域的难点问题研究,为冻土工程的设计、施工和维护提供有效的科学依据、分析模型及必要的参考．     

高速公路改扩建路基开挖临空面安全控制标准

为合理控制高速公路改扩建施工时开挖临空面后的路基稳定性和行车安全,通过建立有限元仿真模型,全面分析了临空面开挖高度、车辆荷载作用位置以及路基土质对开挖临空面路基工作状态的影响,对粘性土、砂性土和碎石土3种不同土质的路基、不同工况条件下的开挖临空面路基稳定系数进行了计算,在此基础上提出了高速公路改扩建路基开挖临空面安全控制标准。结果表明：临空面开挖高度和荷载作用位置对路基稳定性影响较大,临空面高度应控制在2.0m内,路侧安全距离应为1.5～2.0m;路基土质对路基稳定性影响相对较小,粘性土路基稳定性最好,依次是砂性土和碎石土;根据路基稳定系数的差异性,将路基高度分为：小于1.0m,1.0～1.5m,1.5～2.0m,2.0～3.0m和3.0～3.5m这5个等级,以稳定系数1.80为控制指标,制定了路基开挖临空面安全控制标准。     

青藏高速公路宽幅路基温度场模拟分析

运用ABAQUS及其二次开发平台,建立了多年冻土地区路基温度场有限元分析模型.运用该模型对低等级公路窄幅路基和高等级公路宽幅路基温度场进行对比分析,对宽幅路基融深变化规律进行了研究.结果表明:不同宽度路基温度随时间均呈周期变化,但每年平均温度呈现总体上升的趋势,且在相同的时间条件下,随着宽度的增加,温度不断上升,但增加幅度逐渐降低;路基中心线处融深随宽度的增加呈三阶段上升趋势,路肩处融深随宽度的增加呈直线上升趋势,坡脚处融深随宽度的增加而增加,但变化幅度很小;增加宽幅路基高度可以在一定程度上起到保护冻土的作用,但路基高度增加到一定值后,继续增加高度对提高冻土上限作用不明显.     

热管在青藏高原多年冻土区高速公路应用中的适用性评价

为了研究多年冻土区高速公路热管路基的制冷效果及适用范围,建立热管路基水热计算模型,分析不同条件下的热管路基冻土人为上限深度和热稳定状态,并将路基高度、年平均气温、气温年较差3个因素形成组合进行热管的适用范围分析。研究结果表明:对于气温年较差为12℃的冻土区,高度为4 m的热管路基适用于年平均气温低于-5.5℃的区域,高度为3m的热管路基适用于年平均气温低于-5.8℃的区域;对于青藏高原大部分地区,在15 a的运营期限内,高速公路热管路基具有一定的局限性,其服役期限内不能保持路基稳定性;但对于风火山地区,采用高度为3 m的热管路基可以保证工程稳定性。     

基于多年冻土层冷却功率需求的块石气冷路基设计方法

为了建立1套简明实用的块石气冷路基设计方法,以多孔介质自然对流换热理论为基础,建立了块石气冷路基数值计算模型,计算了不同路基高度和不同块石层厚度条件下的冻土热量收支情况,在此基础上分析了冻土上限变化与冻土层冷却功率需求的关系、块石层厚度与块石气冷路基冷却功率的关系,以及路基高度对块石路基冷却功率的影响;对不同工况的计算结果回归拟合出块石路基冷却功率计算公式,结合工程实际提出完整的块石气冷路基设计方法,并给出了参考算例。研究结果表明:块石层内的空气自然对流主要发生在冷季中的1~4月之间;相同路基高度情况下,块石层厚度越大,块石气冷路基冷却功率越大,而在相同块石层厚度情况下,块石层冷却功率随路基高度增加而减少;该研究成果可为多年冻土地区公路块石气冷路基的设计提供参考。     

考虑蠕变损伤作用的高山草甸区路基冻胀特性——以贡觉至芒康公路为例

冻胀融沉现象是高山草甸区路基的主要病害,是急需解决的重要问题。对于季冻区路基,蠕变作用使得路基冻胀变形更加复杂,因此,建立一种考虑蠕变损伤作用的冻土数学模型尤为重要。将冻土视为非线性弹性体,考虑冻土体蠕变损伤作用,分别从水分场、温度场、应力场角度,基于各物理场的微分控制方程式及其之间的联系方程,建立冻土在三场耦合下的数学模型。基于该数学模型对高山草甸区路基进行数值计算。研究发现,路基的最大冻深位置在路基表面以下1.2 m处,冻结锋面推移最大深度达到距离路基顶端以下0.6 m处;在左右路基顶角、新旧路基填土交界处及坡脚拐点处易出现应力集中;最大水平位移约为6.44 mm,最大竖向位移约为15.8 mm,大致出现在两侧坡面与路基顶面交界角处,应重点加强两侧坡面及路基顶面交界角处的防冻胀处置措施。     

季节性冻土地区根-土复合体土质边坡稳定性分析

为了研究季节性冻土地区根-土复合体土质边坡稳定性,通过分析土体强度参数、融化层深度、融化层重度及坡度对根-土复合体土质边坡稳定性的影响,模拟了春融期土坡温度场及水分场的变化特征,运用强度折减法计算了春融期素土及根-土复合体边坡的安全系数。结果表明：春融期,素土及根-土复合体边坡在冻融界面处剪切塑性应变集中,呈条带状分布,沿着冻融界面发生平面状热融滑塌;相比素土边坡,根-土复合体边坡安全稳定系数明显增大。由此可得,植物根系穿过冻融界面处时,增加了根系周围土体强度,提高了边坡安全稳定,为季节性冻土边坡工程的设计、施工和维护提供有效的科学依据及必要的数据参考。     

山区典型软土路基稳定性影响因素敏感性研究

受到地形地貌的影响,山丘地区与平原地区的软土路基稳定性具有明显差异。为研究山区软土路基稳定性,首先分析了各种地形条件下软土路基的存在形式,然后利用Plaxis有限元软件对山区软土路基典型形式的稳定性进行分析,最后计算地形因素对山区软土路基的稳定性的影响,并分析稳定性安全系数对各影响因素的敏感性。研究结果表明,山区软土路基主要有斜坡软土路基、层状软土路基和谷间锅底状软土路基三种形式;斜坡软土路基较平原软土路基易失稳,谷间软土路基较平原软土路基更稳定;斜坡软土路基的稳定性安全系数对各因素的敏感性从大到小依次为填土高度、软土层厚度和软土层倾斜度。谷间软土路基的稳定性安全系数各因素的敏感性从大到小依次为填土高度、软土层覆盖范围和坡脚与山体距离。     

季冻区边坡地下水渗流模型试验

随着季节冻土区的交通网络建设和基础设施建设项目不断增多,季节冻土区边坡工程冻融灾害问题越发严重。中国在此方面的研究起步较晚,中国学者虽积极开展研究;但较少有人通过试验手段研究地下水位变化对季节冻土区边坡的影响。使得季节冻土区边坡因春融期地下水上升引起的冻融-渗流稳定性问题成为亟待研究的课题之一。通过室内模型试验,揭示季节冻土区粉质黏土边坡在不同初始含水率、相同坡比的条件下,随着地下水位的升高,粉质黏土边坡在春融期破坏形式由浅层滑坡破坏向整体破坏过渡。     

路基冻结过程中温度场对变形场的影响

为了研究冻土路基温度场及变形场的动态变化规律，基于伴有相变的路基非稳态温度场控制方程和冻土路基变形场二维数值计算模型，对冬季冻土路基温度场和变形场进行了计算分析，得出路基深层土中的温度变化滞后于表层土和气温；对于冻胀冰锋线分布较广的路基，其破坏易在坡脚处产生；冻胀冰锋线分布范围较小的路基，破坏大致发生在竖向位移较大的路基中部。结果表明，冻胀冰锋线的范围是影响路基变形场的重要因素。     

动荷载作用下高温冻土路基的动力响应分析

采用有限元计算和模拟试验相结合的方法,研究了高温冻土路基在列车动荷载作用下的动力响应。首先,通过数值计算分析了路基的地表变形、内部土压力的变化规律。根据相似理论确定并没计了冻土路基模拟试验装置,通过在路基周围地表及其内部布设压力和变形传感器,并用自行设计的列车动荷载加载装置对路基施加模拟荷载,进行了冻土路基的模拟试验。模拟试验和数值计算的结果分析表明:采用的数值计算模型和模拟试验方法基本可行,研究结果可为青藏铁路的安全运营以及维护提供参考。     

季冻区高速铁路路基冻融变形特征研究

为研究季冻区高速铁路路基冻融病害及其变形特征,以兰新高速铁路K1934+190无砟轨道路基断面作为研究对象,在已有的水分迁移控制微分方程、瞬态温度场控制微分方程及土体单元应力-应变方程的基础之上,建立了无砟轨道路基受水分、温度及应力影响的数学计算模型,通过模拟和现场监测对比分析了自2019年10月初至2020年5月初路基的动态变化规律。结果表明,由于水分场、温度场对季冻区高速铁路路基的耦合作用,致使路基水分变化、温度变化及由此产生的温度场重分布、水分场重分布是导致路基发生冻胀融沉的关键因素,其变形在时间域上呈规律性变化,这一结论可为研究冻土地区高速铁路路基冻害治理提供参考。     

基于反演参数的多年冻土路基长期温度场预测

利用青藏铁路清水河试验段路基3 a的现场温度场及沉降监测数据,采用模拟退火算法改进的BP神经网络算法反演了冻土路基的热力学参数,并在反演参数的基础上应用有限元法模拟预测了冻土路基在不同保温处理方案下的长期温度场变化情况.结果表明:保温材料路基阴阳坡地的温度场差异小于素填土路基,多年冻土季节性活动层厚度也远低于素填土路基;保温材料路基施工后3 a内仍将发生冻融变形,形成路基病害,但破坏程度低于素填土路基;50 a后,保温材料路基将与青藏高原气候环境达到新的热平衡状态,施工对多年冻土造成的破坏可得到修复,路基稳定性良好,但素填土路基仍存在较厚的季节性活动层,这将会使路基发生严重的变形破坏;保温处理方案可较为有效地减少冻土路基的不均匀沉降.     

水热变化对季节冻土区牵引式滑坡变形的作用机制——以2020年8月11日西和县大型滑坡为例

季节冻融作用诱发滑坡的机制一直缺少定量化的研究结果，这源于缺少相应的理论模型。为了重构滑坡的变形过程并分析其变形机制，首次基于热力学理论，建立了季节冻土水分、温度和变形相互耦合的数值模型，阐述了水分变化对变形的作用机制。该模型的优点是能够体现冻土边坡中冻融作用引发的水分迁移过程和水分不均匀分布状况，并从水分对土体强度影响的角度来分析边坡稳定性。以2020年8月11日甘肃陇南市白冯村发生的大型滑坡为例，利用该数值模型计算了该滑坡处置前后边坡的水热和变形过程，并对其变形机制和稳定性进行了分析。结果表明，冷季水分向冻结锋面迁移并冻结成冰，暖季活动层内冻土融化导致液态水含量增加，从而使冰透镜体所在位置变成了潜在滑移面。在外部荷载（暴雨等）作用下滑体会沿着该滑移面产生滑动，这便是季节冻土区边坡中的水分迁移过程及其对滑体滑动的作用机制。此外，案例分析表明，滑坡处理前边坡最大垂直变形和最大水平变形分别为72.41 cm和68.57 cm。设置抗滑桩后，边坡达到稳定状态时的最大垂直变形和最大水平变形分别为2.60 cm 和2.72 cm，稳定性显著提升。而且，滞水层高度的提升导致边坡垂直和水平变形0?位移线分别升高了2.05 m和2.03 m，这使得潜在滑体体积减小，从而有利于边坡稳定。然而，抗滑桩仅从力学方面提升了边坡稳定性，但是潜在滑移面仍然存在，在外部外荷载作用下，滑坡可能会复活。