融沉变形对柔性路面应力应变影响试验研究

为了研究多年冻土地区路基融沉变形对柔性路面力学性能的影响,采用松铺土和埋设工业冰块2种冻土路基融沉变形模拟方法,修建室内大尺度柔性路面结构试槽并逐层埋设传感器.采用承载板试验方法进行柔性路面面层和基层应力应变检测,通过检测数据的分析得出了融沉变形对柔性路面应力应变的影响规律.结果表明:松铺土测点和埋设工业冰块测点面层与...     

高纬度林区多年冻土片块石路基降温效果及变形特征

在边坡滑塌、不均匀沉陷等路基病害极易发生的多年冻土区,片块石路基是一种常见的路基结构,而其在高纬度林区的应用研究还相对较少。本文针对高纬度林区多年冻土体积含冰率高、对温度变化敏感等特征,以高纬度林区某段公路多年冻土片块石路基工程为例,建立冻融循环热力耦合数值模型,分析了片块石路基温度场和应力-应变场的变化规律,研究了路基冻胀融沉的热力学机制。结果表明：高纬度林区多年冻土片块石路基的温度场,在地下2 m内受地表温度影响显著,而地下2 m以下受影响较小,温度稳定在-1.5 ℃。多年冻土片块石路基的变形以融沉为主,在11月达到最大值,为13.5 mm;而冻胀量在4月达到最大值,为7.5 mm。路基融沉主要归因于冻土的融化,而路基冻胀是由于路基结构本身的冻胀变形引起的。因此,在高纬度林区多年冻土路基采用片块石冲压层和填筑层的结构是可行的,对路基下冻土起到良好降温效果的同时,路基的变形量也控制在了规范要求范围内。     

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。     

青藏高寒高海拔地区宽幅公路沥青路面力学响应

为深入研究青藏高寒高海拔地区宽幅公路沥青路面力学响应,以指导该区域宽幅公路沥青路面结构设计、路基填挖形式及高度选择。将基于欧拉描述的大变形固结理论应用于冻土融化固结分析,研究融沉作用下路基高度、路面结构形式、宽度、厚度及模量对宽幅公路沥青路面力学响应的影响规律,并基于多目标规划理念,提出以沥青层底拉应变及路表差异沉降量综合最小为目标的力学响应综合评价指标P,用以评价路面综合力学响应。结果表明:柔性基层沥青路面沥青层底拉应变随路表差异沉降量呈先增大后减小的变化规律,倒装式、半刚性及复合式基层沥青路面、半刚性底基层层底拉应力则随其呈线性增大趋势;融沉作用下,ATB-25层底横向拉应变小于不考虑冻土融沉作用时;年均气温为-3.5℃、-4.5℃时,半刚性底基层横向拉应力显著大于不考虑冻土融沉作用时;P均值随路面宽度增大而增大,且22.5m时增大最显著;填方路基P均值随填方高度增大先减小后增大,高度为1m时最大,2m时最小,此后逐渐增大;挖方路基P均值随挖方高度增大而增大,高度为1m时最小,2m时显著增大。从路面力学响应角度,建议多年冻土区宽幅公路应尽量减小路面宽度,不宜大于17.5m;路基填方高度不宜小于2m,挖方高度宜为1m以下;对于年均气温-3.5℃、-4.5℃地区,路面结构形式宜选取柔性基层沥青路面。     

季节性冰冻地区公路路基冻胀融沉过程规律研究

为准确掌握路基结构温度场的分布特点和冻胀融沉过程的变化规律,以季节性冰冻地区典型道路结构路基温度场和变形量的跟踪观测数据为基础,开展了季节性冰冻地区路基温度场分布与冻胀融沉变形量,以及冻结深度三者的规律研究。研究显示:路基温度场分布特性以年为周期呈余弦规律变化,不同深度路基温度变化存在滞后性;根据路基冻结深度变化规律,可将冻结过程划分为四个阶段。在此基础上,基于观测数据,冻胀量和冻结深度分别与地表负积温呈显著正相关,可通过监测冻结深度的变化得到冻胀变形量,降低监测成本及实测难度。     

青藏铁路保温板热棒复合结构路基保护冻土效果数值分析

根据带相变热传导有限元方法,对普通路基、含保温板路基、热棒路基和保温板热棒复合结构路基在未来50年青藏铁路沿线气温上升2.0℃情况下的温度场进行了预报分析和比较.计算结果表明,在年平均气温为-3.5℃或地表年平均温度为-1℃的地区,在青藏铁路50年的使用期内,普通路基、含保温板路基和热棒路基在气温升高条件下路基下伏、冻土都将发生融化,路基将会产生较大融沉变形,不能保证青藏铁路路基的稳定性.而保温板热棒复式结构充分利用了保温板和热棒两种措施的优点,可以更好的提高保护冻土的效率.     

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。     

多年冻土区聚苯乙烯隔热公路路基温度场数值分析

为了研究随外界环境条件改变聚苯乙烯(EPS)冻土路基温度场变化特征,运用ABAQUS有限元分析方法,对多年冻土区EPS隔热路基的温度场进行了数值模拟.计算时采用改变EPS铺设位置,模拟路面下多年冻土季节最大融深在路基修筑完工后8a内随时间的变化.通过对计算结果分析得出,在多年冻土区路基中铺设保温材料对路面下多年冻土具有明显的保护作用.当EPS铺设在路堤底部时,路堤温度场分布比较均匀,路堤内部都为正温,在EPS板下,路基温度都为负温,说明EPS有效阻止了边坡和路面传入的热量.因此,如果要修筑EPS隔热路基,应将EPS板铺设于路堤底部.     

融沉冻土与群桩相互作用的试验研究

采用自行研制的冻土-群桩室内模型试验装置,研究在补水条件下,单向冻结过程中融沉土体与群桩的相互作用;测定在相同含水率条件下,不同融化温度时冻土的温度场、桩顶上拔位移和桩不同位置处的侧摩阻力随时间的变化趋势。结果表明:升温回暖过程中,各深度土样温度变化趋势基本相似,具有明显的时间效应,大致可分为缓慢降温阶段、升温阶段和温度稳定阶段,不同位置桩的沉降位移发展规律可大致分为桩身稳定阶段、快速沉降阶段和缓慢沉降阶段;融化温度越高,升温阶段维持时间较长,冻土融沉更加完全,桩最终沉降量也更大;融沉过程中,桩身负摩阻力呈现正负交替分布的状态,融化温度越高,桩身所受的负摩阻力越大,且中心桩所受的负摩阻力比角桩的小。     

多年冻土地区沥青路面结构响应分析

采用ABAQUS软件进行了多年冻土地区不同沥青路面结构响应分析.分析结果表明,路基融沉深度决定了路面位移的大小,路面结构形式对路面位移影响不大,而路面基层底部拉应力主要受路面结构形式影响.随着融沉深度增加,路面位移显著增加.级配碎石基层路面层底拉应力最小,沥青稳定基层路面层底拉应力与其相当,而半刚性基层路面层底拉应力最大.考虑到级配碎石基层的强透水性、低抵抗重载交通能力等缺点,提出沥青稳定基层更适合于多年冻土地区.     

耦合效应下联络通道解冻规律研究

结合上海长江隧道一号联络通道工程,在温度应力耦合控制方程的基础上,分别考虑自然解冻和人工强制解冻条件下对流散热、混凝土初衬、二衬水化热等影响因素,分析了土体内部温度场、冻土厚度的发展变化以及由于冻土的解冻产生的融沉效应.通过分析发现自然解冻条件下经过大约44 d冻土完全融化,衬砌混凝土的水化热对冻土的解冻影响较大;不考虑混凝土水化热的作用,至50 d冻土仅能解冻23%;由于冻土的融沉效应,联络通道区域整体沉降,通道中心竖向位移为-2 cm;采用强制解冻冻土解冻较快,仅需4.3d就可完全解冻,与冻结过程相反,双排管之间最先解冻,然后是内侧冻土,最后是外侧冻土.     

行车荷载作用下粉土路基的永久变形

为探讨行车条件下沥青路面粉土路基的永久变形规律,首先依据弹性层状体系理论计算不同路面结构类型、不同车辆轴质量下,沥青路面路基的竖向附加应力分布特征;然后通过动三轴试验,分析了粉土路基土在重复荷载作用下的累积塑性应变与动应力大小、土体物理状态的关系,并建立粉土路基土的循环累积塑性应变预测模型;基于上述理论分析和试验结果,探讨行车荷载作用下粉土路基的永久变形.研究表明:路基永久变形随轴载作用次数增加而逐渐增大,但当作用次数超过1×106次,增大速率逐渐减缓;压实度对粉土路基的永久变形影响较大,当路基压实度较低时,提高压实度、增加基层厚度或增大基层模量均能显著减小路基的永久变形,但当压实度高于93%,不同行车荷载、不同路面结构的路基永久变形差别减小.     

多年冻土区高等级公路路基温度场研究

在全球变暖的背景下,利用有限元法对多年冻土区高等级公路路基温度场进行数值模拟研究。分析路基高度分别为2.0,3.0,4.0,5.0和6.0 m时路基高度与路基下方冻土上限的关系,分析路面宽度分别为14.0,16.0,18.0,20.0和24.0 m时路面宽度与路堤内和基底融化夹层面积的关系。研究结果表明:在影响路基下方多年冻土上限和融化夹层面积的各因素(路基高度、边坡坡度和路面宽度)中,路基高度对冻土上限的影响程度最大,路面宽度对路基内和基底融化夹层面积的影响最大;冻土路基在20 a的设计使用年限内合理高度为4.26 m;冻土路基在不采取"冷却地基"措施的情况下,在20 a的设计使用年限内,路面最大宽度为6.0 m;当路面宽度为12 m时,分幅路基的合理间距为35.3 m。     

基于水-热-力耦合作用的冻土区CRCP路面应力特性

为了研究多年冻土区地基融沉效应对路面结构应力状态的影响,基于水-热-力耦合作用理论,利用COMSOL有限元软件建立了冻土区连续配筋混凝土路面(CRCP)有限元模型,研究了基层与底基层材料参数、面板厚度与模量、配筋率对CRCP路面结构组合应力的影响,提出了适用于多年冻土区CRCP路面的合理结构形式.结果表明,地基融沉效应对于CRCP路面结构应力影响显著.融沉效应和车辆荷载耦合作用下,板内最大主应力随时间推移逐渐变大.板内最大主应力随面板、基层和底基层的厚度增加而减小,随各层模量的增加而增大,但配筋率的变化对其无影响.考虑融沉效应时,CRCP路面板+水泥稳定碎石+石灰土的路面结构较适宜于多年冻土区,可为多年冻土地区CRCP路面结构设计提供参考.     

采空区路基路面力学响应分析

针对采空区沉陷容易导致路基路面发生变形破坏的工程技术难题,基于采空区位置对路基路面变形响应的影响程度,提出了采空区临界区域的概念,采用有限元数值分析方法,建立了采空区临界区域的确定方法,由此揭示了采空区路基填筑高度对沥青路面设计指标弯沉及层底拉应力的影响规律,并基于采空区引起的路基顶面的不均匀变形,揭示了5种路面结构路表弯沉与层底拉应力的变化规律。研究结果表明:处于临界影响区范围外的采空区对土基表面最大位移的影响小,可忽略不计;采空区影响范围内的路表弯沉比层底拉应力对路基填筑高度变化敏感,柔性基层沥青路面结构适应变形能力强。     

多年冻土路基水-热-力耦合理论模型及数值模拟

在建立多年冻土地区路基非稳态温度场控制方程、水分迁移的有限元控制方程和路基变形场及应力场计算模型的基础上，提出水-热-力耦合模型。以青藏公路唐南段K3393＋950的冻土路基为计算对象，得出了1月份路基温度场、水分场及应力场（变形场）的分布规律：路基温度场内部存在着未冻土核；水分场在温度梯度的作用下有向冻结冰锋线迁移的趋势；在负温条件下，土体的体积含冰量超过临界值时，将产生冻胀现象。研究结果表明，多年冻土地区路基的温度场、水分场及应力场一直处于动态变化中，路基的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起道路冻害的主要因素。     

冻土区铁路片石护坡路基变形分析

路基变形主要包括蠕变和固结两部分。冻土和永久冻土的强度和变形特性与其他固体和未冻土的区别在于,当在冻土中施加外荷载时经常发生不可逆的结构再造作用,导致在很小荷载下出现应力松弛和蠕变变形,即冻土的强度和变形随时间而变化。随着自然界四季交替变化,路基土体经历着从非冻结状态到冻结状态以及再次融化的过程。     

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.     

根河粉质黏土单向融沉特性试验研究

为了揭示根河多年冻土试样在不同水分边界条件和融化温度条件下单向融化时的融化深度、融沉位移、融沉系数及含水率的变化规律,开展了封闭系统及开放系统下根河粉质黏土的单向融沉试验.结果表明,封闭系统下的融化深度大于开放系统下的融化深度,试样融沉位移随融化时间呈现缓慢增大、快速增大和稳定变化三个阶段,最大融沉位移随着顶板融化温度的升高而增大.封闭系统下试样的融沉系数与融化温度呈二次函数关系;开放系统下试样的融沉系数与融化温度呈指数关系.试后含水率最大值为融化界面对应的位置.     

季节性冻土路基变形监测及其稳定性分析

季节性冻土地基具有冬季冻胀、春季融沉的特性,在其上修筑的路基通常产生沉降和滑移变形,最终导致路基失稳。基于上述原因,通过介绍季节性冻土路基冻胀和融沉产生的机理,以及季节性冻土路基变形监测的原则和内容,并结合墨脱公路的监测结果对季节性冻土路基的稳定性进行分析评价。该研究对季节性冻土路基的设计、施工及稳定加固具有重要的指导意义。