水泥混凝土路面的路基温度场测试及数值模拟

路基中温度的分布和变化规律是研究季节性冰冻地区水泥混凝土路面稳定性的基础。基于黑龙江省鸡讷(鸡西—讷河)公路试验路段的路基温度场测试资料,分析温度场的变化规律;建立水泥混凝土路面结构的路基温度场模型,分别在第一类边界条件(附面层理论)和第二、第三类边界条件下对路基温度场进行数值模拟。研究结果表明:路基内部温度变化滞后于大气温度;第二、第三类边界条件作用下的路基温度场数值模拟结果比第一类边界条件更接近温度实测值;沿深度方向,越靠近路基表面,第一类边界条件下的计算值与现场实测值的差异越大,越往下差异越小;而第二、第三类边界条件下的计算值与实测值的差异沿深度方向变化较小,可应用于路基温度场的数值模拟。     

补水条件下土体水分场的动态测试

为了揭示土体中水分迁移的运动机理,应用美国水分传感器及采集设备(6050X1 trase system),对封闭系统的小型试件进行恒温条件下底部补水的动态测试,得出土体含水体积分数随时间的变化曲线、浸润面上升速率和水通量与浸润面上升高度的曲线,并回归出浸润面上升速率与上升高度以及水通量与浸润面上升高度的关系式.研究结果表明:在试件中引起水分迁移最主要的因素是基质势和重力势;土体中各点的含水体积分数从试件底部开始到试件顶部逐渐增大,土体浸润面上升速率和水通量随迁移路径的增长呈减小趋势;土体的三相介质构成及孔隙连通性等因素是影响水分迁移路径与迁移动力的重要因素.     

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。     

青藏公路沿线多年冻土的变化和现状

在全球气候转暖,特别是在沥青面层铺筑的影响下,青藏公路路基下多年冻土与原始状态相比有了很大的变化,除个别路段外大部分退化显著,沿线多年冻土的分布和状态已十分复杂,其分布和冻土年均地温、冻土上限深度等性质具有明显分段性.研究其分布和性质的演变规律与现状,对青藏公路多年冻土病害整治和青藏铁路建设具有重要意义.     

青藏高原多年冻土区实际边界浅层土体温度场

在现有冻土理论、热力学原理及流体力学理论等的基础上, 结合青藏高原的气候特征及室内和现场测试资料, 提出了一套考虑风速、辐射和蒸发等多种自然因素及工程外表特征的温度场有限元数值模型与分析方法, 并分析讨论了青藏高原普遍存在的粉质黏土和砾砂土的热物理参数的确定方法. 在此基础上的数值分析表明地表温度是各种外在因素的综合反映, 在工程设计中应该充分考虑各工程场地外在因素的差异性, 对冻土路基的数值分析表明影响路基稳定性的横向热差异问题的本质是边界条件沿路基表面的差异.     

冻结过程路基土体水分迁移特征分析

以沈哈高速铁路沿线的粘质黄土为研究对象,进行了冻结过程中封闭系统下土体水分迁移试验,试验结果表明:试样中温度的变化是先快后慢,最终试样内部温度随深度的变化呈现出一个稳定的温度梯度分布;温度势对水分迁移的影响甚微,温度梯度是导致含水量梯度产生的一个重要诱导因素,当温度的变化致使土体发生冻结时,冻结区的液态水含量急剧减小,从而引起其基质势能的急剧降低,促使土中未冻水沿着温度降低的方向迁移.基于上述试验,通过建立二维温度场与水分场耦合效应模型,应用有限元数值方法对室内封闭系统下模型试件的温度场、水分场进行了数值模拟,计算值与实测值基本吻合,验证了水热耦合数值计算模型的正确性.该模型可用于模拟季节性冰冻地区路基土体中水分迁移的变化规律,为冻胀防治提供依据.     

特殊气候条件对多年冻土地区路基的影响

为了揭示多年冻土地区路基病害发生的根源，基于青藏高原五道梁、沱沱河和安多等地的气象资料，研究了特殊气候条件对青藏公路路基的影响。从青藏高原年平均气温变化曲线及年降水变化曲线入手，考虑路基周期冻结和融化过程中水分迁移及相变作用，结合SWS-3型连续面波仪的路基强度测试结果，分析了青藏公路纵向裂缝、波浪扭曲变形和不均匀沉陷等典型病害的发生机理。研究发现：青藏高原的低温特征使得路基常年处于冻结和融化的交替状态；雨季集中、固态降水特征致使路侧积水严重；在特殊的气候夺件下路基土体的动弹性模量由最初的均匀分布逐渐过渡到不均匀状态；路基两侧的积水及土体的冻融疏松是造成路基强度不均匀分布、产生病害的直接原因。