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。     

多年冻土地区路基变形研究

本文对多年冻土地区路基开展全面调研,对路基病害进行了专项调查,全面分析了路基变形组成及其主要影响因素.通过对冻土的工程性质研究,结合多年冻土地区的环境条件,对该路基变形计算方法进行了探讨.最后,本文提出了控制多年冻土地区路基变形的工程措施.     

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。     

软弱路基土体三轴蠕变试验及蠕变模型研究

采用相同面积置换率的微小砂桩模拟地基处理效果,对地基处理后路基土进行三轴蠕变试验。依据路基土三轴蠕变试验,提出一个基于双曲线函数核的黏塑性元件模型,描述路基土的非线性黏塑性蠕变特征。与Burges元件模型串联建立非线性黏弹塑性蠕变本构模型,将模型扩展到三维状态并确定模型参数。研究结果表明:应力水平是影响地基土蠕变变形的主要因素,应力水平S=0.6为路基土体线性黏弹性蠕变和非线性黏弹塑性蠕变的临界值,当S<0.6时,路基土体土表现出线性黏弹性蠕变特征;当S>0.6时,表现出非线性黏弹塑性蠕变特征。     

路基宽度对多年冻土区站场路基温度场的影响

青藏铁路路基的热稳定性受到气温升高的影响.站场路堤比普通路堤宽度大,受气温升高影响更大.以清水河站场试验点为工程背景,对站场和普通路基3个冻融周期的现场测试温度进行分析比较.参照前人对气温预测计算公式,作为青藏铁路站场路基进行热分析的边界条件,运用数值计算方法近似求解计算站场路基20 a后的热状况,同时与普通宽度的路基作比较.结果表明,站场路堤的多年冻土的人为上限比普通路堤高,最大融深比普通路堤大,说明路基的宽度是加速冻土破坏的一个重要影响因素.     

多年冻土路基热棒施工技术

青藏铁路是我国高原铁路,地处青藏高原,海拔平均在4 000 m以上,多年冻土路基的施工是青藏铁路施工成功的关键,热棒技术是多年冻土路基施工采用的新技术,是成功解决多年冻土路基施工的方法之一.文章对热棒的工作原理、用途、特点及施工方法作了详细介绍.     

109国道季节性冻土区路基原始温度场分析

针对青海省2013年需要新建、改建的高速公路等项目,以109国道青藏高原橡皮山附近季节性冻土区公路路基为研究对象,利用ANSYS有限元模拟分析软件建立数学模型,经过分析后得出该区域路基土体原始温度场.分析结果表明：青藏高原季节性冻土区路基土体内部温度低于0℃的月份为每年的11、12月和翌年l、2和3月,最低温度达-15℃,而在地表2m以下地温高于0℃.     

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.     

青藏铁路多年冻土区典型结构路基振动响应特性

在青藏高原的寒季和暖季条件下,对青藏铁路北麓河段的块石路基和素土路基进行了强震动测试,运用二维等价线性时程响应动分析法对2种典型结构路基进行了动力响应的数值计算.结果表明,从路肩到坡脚的机车荷载传递具有明显的衰减效应,并且暖季衰减大于寒季.在路基中心的原地表处,块石路基的振动衰减效应大于素土路基.     

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.     

复杂应力状态下人工冻土蠕变数值模拟

根据试验确定的人工冻土单轴蠕变数学模型及其参数，引入经典弹塑性力学理论，将空间域和时间域进行离散化，提出了以时间增量法为基础的复杂应力状态下人工冻土蠕变有限元数值模拟计算公式，依照此计算方法运用ANSYS程序对陈四楼煤矿主井-304米水平冻结壁蠕变位移进行模拟计算，结果表明，数值模拟方法可以揭示冻土壁变形规律并检验蠕变本构关系的正确性，为今后人工冻土蠕变计算提供了一种实用方法。     

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.     

软岩蠕变特性的数值分析

为了对高应力条件下岩石的变形特性进行准确的预测和预报,根据软岩蠕变特征,基于伯格(M-K)蠕变模型,考虑材料的粘弹性应力偏量特性与弹塑性体积变化特性,假定粘弹性和塑性应变分量经串联方式共同作用,建立了软岩蠕变特性的数值模型,并对Ⅴ类围岩的蠕变特性进行了数值模拟。结果表明,在高应力条件下,蠕变使围岩变形加剧,且蠕变变形随主应力差的增加而增大。     

煤矸石路基填料动变形特性试验研究及数值分析

通过动三轴试验,研究了煤矸石作为公路路基填料的动力特性,建立了不同含水率、动应力幅值影响下的煤矸石轴向累积应变计算公式,并应用FLAC3D对煤矸石路基进行了数值模拟分析.结果表明:煤矸石轴向累积应变对数值与含水率、动应力幅值成正比;在动荷载作用下,煤矸石路基的瞬时沉降速率较大,随着时间增长,沉降值很快趋于稳定.试验表明在交通动荷载作用下,煤矸石变形性能能够满足要求,说明采用煤矸石作为路基填料是可行的.     

列车作用下冻土路基动力响应的数值模拟

为研究高温冻土铁路路基内部的动力变化规律,以人工数定激励力法模拟列车荷载,采用ABAQUS有限元软件建立冻土路基模型,对列车作用下的冻土路基进行动力响应模拟.结果表明:在列车振动荷载作用下,冻土路基内部各点的应力和位移均由路基的顶部中心位置向两侧和下部逐渐减小,路基的最大应力和最大变形均发生在其顶部中心处;路基内各个点的竖向振动随着深度增加逐渐衰减.该结果可为高温冻土路基的强度变化研究提供借鉴.     

人工冻结软土的蠕变特性试验研究

结合宁波轨道交通中冻土蠕变的工程实例,研究了人工冻结后土体物理力学性质的变化。在-10℃条件下,对相关地层进行了不同应力水平的蠕变试验,结果表明:宁波地区人工冻土表现出了明显的蠕变特征,是典型的蠕变材料。在加载水平较低时,②2-2和③2土层的蠕变特性较其他各土层强。随着加载水平的增加,③1层含黏性土粉砂和③2粉质黏土的应变随时间迅速增加,土层蠕变特性显著衰减,其他土层的蠕变特性随加载而增强。在试验基础上,结合蠕变数学模型,获得各土层的蠕变模型参数。此外,宁波地区人工冻土的长期强度衰减很快,随着时间的延长,其衰减过程逐渐趋于平缓,强度趋于稳定。     

冻土路基温度场室内足尺模型试验

取用多年冻土地区代表性土类进行冻土路基室内足尺模型试验,建立伴有相变的路基非稳态温度场的控制方程,在空间域内用采用混合单元的有限元网格划分,在时间域内用有限差分格式划分的混合解法进行有限元分析。通过对观测结果进行数值模拟,验证了数学模型的正确性。进一步分析路基温度场的变化规律与野外观测结果的变化规律,其一致性说明了室内模型试验可以模拟野外冻土路基的真实情况,为研究冻土路基温度场的变化规律提供了可靠依据。     

冻土蠕变的光粘弹性模拟实验

给出冻土蠕变实验的相似条件。认为在一定条件下冻土蠕变符合Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ叠加原理，可以用光粘弹性方法进行模拟实验。作为实例，进行了刚性压块及桩式基础作用下的冻冻土蠕变平面问题光粘弹性模拟实验，首次得到了这方面的冻土预报的成果。