多年冻土地区路堤典型沉陷病害研究

摘要

青藏高原多年冻土区的路堤工程实践已经有50余年的历史，积累了大量的经验和教训，道路的运行质量不断改善。但是，波浪和路堤纵向裂缝作为路堤沉陷病害的2个主要表现形式，病害仍然很严重，病害率高于15％。
　　 统计分析后发现，冻土特征仍然是影响冻土路堤波浪和纵向裂缝病害的关键因素。和多年冻土年平均地温相比，多年冻土地区路堤纵向裂缝病害、路堤波浪病害与冻土含冰量的对应关系较好，随着冻土含冰量的增加路堤典型病害率增加。冻土路堤高度对冻土路堤典型病害的影响较大，路堤纵向裂缝病害随着路堤高度的增加而单调增加，路堤波浪病害则随着冻土路堤高度的增加而单调减小。冻土路堤纵向裂缝病害主要发生于路堤的阳坡侧，青藏公路南北走向路段路堤纵向裂缝病害多发则主要是因为沿线太阳总辐射上午大大超过下午所致。敏感性分析表明，与冻土地温相比，无论是波浪病害还是纵向裂缝病害，都对冻土含冰量比较敏感。在有条件的情况下，冻土路堤工程建设要尽量避开高含冰量多年冻土区。
　　 借鉴以往冻土的工程分类经验，把多年冻土划分为稳定、较稳定、不稳定和极不稳定四种类型(表1)，这一划分结果被青藏公路、青藏铁路、青康公路和其它几条多年冻土地区公路的病害调查结果所证实。依据该分类方案和青藏公路路堤沉陷病害的发生规律对青康公路的预测表明，在改造工程完成6年后，青康公路路堤病害的总里程将在30km左右。
　　 表1路堤工程冻土分类方案┏━━━━━━━━━┳━━━━━┳━━━━━┳━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┓┃含冰类型/年平均地温/℃┃少冰冻土┃多冰冻土┃富冰冻土┃饱冰冻土┃含土冰层┃┣━━━━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫┃0～-0.5┃稳定┃较稳定┃不稳定┃极不稳定┃极不稳定┃┣━━━━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫┃-05～-1.5┃稳定┃较稳定┃不稳定┃极不稳定┃极不稳定┃┣━━━━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫┃-1.5～-3.0┃稳定┃较稳定┃不稳定┃不稳定┃不稳定┃┣━━━━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫┃＜-3.0┃稳定┃稳定┃较稳定┃较稳定┃较稳定┃┗━━━━━━━━━┻━━━━━┻━━━━━┻━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┛
　　 基于对影响路堤波浪病害因素的分析，划分了冻土路堤可能发生波浪病害的三个情景系列。对三个情景系列的数值分析表明，在新修路堤完工十年范围内，年平均地温或者年平均气温控制着冻土路堤波浪病害发生的可能性与病害程度，在年平均气温或者地温较低的冻土地区(MAGT＜-3.0℃)，基本上不存在发生重度波浪病害的可能。在满足路堤病害所需温度条件下，按照各因素对波浪变形的贡献，从大到小依次为地表条件、含冰特征和路堤高度。
　　 根据青藏铁路清水河试验路上凸型上限形态的路堤发育纵向裂缝的事实，采用有限单元方法建立了一个具有凸型温度场的路堤并对其进行了应力应变分析。结果发现，在天然冻土地基温度升高的条件下，既便冻土路堤下人为上限上升，冻土路堤仍然有可能因为冻土升温所引起的压缩变形过大而发育纵向裂缝。
　　 为了保证冻土路堤工程的稳定性，本文提出了更加严格的冻土路堤冷却标准：在保证多年冻土上限不下降的前提下，原上限以下10m范围内不同深度的年度最高地温下降或者稳定在-0.3℃以下。这一标准可以避免冻土的融沉变形以及冻土升温所导致的过大压缩变形。
　　 国外的工程实践和研究表明，利用热半导体调控传导可以冷却冻土路堤。对热半导体而言，较高的冻融导热系数比、较厚的热半导体材料、较湿润的表土、较大的温度波幅和接近零度的年平均地表温度有利于产生较大的负温度位移。
　　 在地表年平均温度-0.5℃、-1.5℃、-3.0℃，平均年温度波幅15.0℃，地表分别为湿润粘性土和干燥砂砾土的条件下开展的不同热半导体材料厚度、不同冻融导热系数比的温度位移数值实验表明，在冻融导热系数比0～20、热半导体材料厚度0～20cm的条件下，两种地表可以实现的温度位移范围分别为-4.66～0℃和-4.22～0℃。
　　 在地表为湿润粘性土、年平均地温为-0.5℃的高温多年冻土区的数值实验表明，单独采用热半导体材料护坡可以有效冷却砂砾路面等开放式路面下的冻土路堤，黑色路面下的冻土路堤需要热半导体护坡和保温路堤联合措施才可以被有效冷却。针对28m宽高速公路单幅沥青路面给冷却冻土路堤思路带来的挑战，本文提出采用双幅14m宽沥青路面的替代方案。结合上述联合调控传导措施，这一方案可以实现有效冷却冻土路堤的目的。
　　 为了检验热半导体材料的工程效果，在214国道K369+050～K369+100开展了硅藻土护坡试验。现场监测和数值模拟表明，与没有采用措施的断面相比，硅藻土护坡可以有效的延缓冻土退化，并提高冻土路堤的稳定性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1研究背景和意义

1.2研究进展及现状

1.2.1路堤工程病害及其机理研究

1.2.2路堤合理高度研究

1.2.3路堤病害防治对策研究

1.3研究目标、内容及技术路线

1.3.1目标

1.3.2主要研究内容

1.3.3技术路线

1.4有限元分析工具介绍

第二章冻土路堤典型病害调查

2.1青藏公路沿线的多年冻土特征

2.1.1沿线多年冻土的分布状况

2.1.2沿线多年冻土的活动层特征

2.1.3沿线多年冻土的地温特征

2.1.4沿线多年冻土的含冰特征

2.2青藏公路多年冻土段的病害

2.3本章小结

第三章冻土路堤典型病害的发生规律

3.1路堤典型病害与多年冻土特征

3.1.1波浪病害

3.1.2路堤纵向裂缝

3.2路堤典型病害与路堤高度

3.3路堤纵向裂缝病害与边坡坡向、路堤走向的关系

3.4冻土路堤典型病害对冻土特征的敏感性分析

3.5小结

第四章病害发生规律在路堤工程冻土分类中的应用

4.1冻土分类现状

4.1.1普通冻土分类

4.1.2工程冻土分类

4.2不同冻土带的路堤病害分析

4.2.1多年冻土带的确定

4.2.2不同冻土带的路堤病害调查结果

4.3路堤工程冻土分类的原则、指标及方案

4.3.1分类原则及指标

4.3.2路堤工程多年冻土分类方案

4.4路堤工程冻土分类的验证

4.5路堤工程冻土分类在214国道路堤沉陷病害预测中的应用

4.6小结

第五章 冻土路堤波浪病害的情景分析

5.1影响路堤波浪病害的因素

5.2路堤波浪病害的情景划分

5.3不同情景下路堤温度场的数值模拟

5.3.1几何模型

5.3.2边界条件

5.3.3初始条件

5.3.4物理参数

5.3.5数值模拟结果及其分析

5.4不同情景下路堤波浪的变形分析

5.4.1波浪变形的计算方法

5.4.2计算结果及讨论

5.4.3不同情景系列沉降变形差比较

5.4.4不同情景系列波浪病害程度比较

5.5小结

第六章 冻土路堤纵向裂缝的热力分析

6.1路堤横向的温度场特征

6.2影响路堤横向温度场特征的几个因素

6.2.1辐射条件

6.2.2风场

6.2.3其它因素的影响

6.3纵向裂缝现场调查及其分析

6.3.1调查路段自然地理条件及工程地质条件介绍

6.3.2路堤纵向裂缝解剖调查

6.3.3路堤纵向裂缝与路堤横向温度场特征

6.3.4 DK1026+630断面路堤纵向裂缝沉降变形的构成分析

6.4凸型上限形态下路堤纵向裂缝变形机理的数值分析

6.4.1凸型上限的路堤温度场

6.4.2凸型上限形态下路堤变形分析的初始和边界条件

6.4.3凸型上限形态下路堤堤体内应力应变分析

6.4.4凸型上限形态下路堤位移分析

6.5小结

第七章 调控传导冷却冻土路堤的数值实验

7.1调控传导冷却冻土路堤的思路、方法及评价标准

7.2热半导体的温度位移及其影响因素分析

7.2.1数值实验方法介绍

7.2.2冻融导热系数比对温度位移的影响

7.2.3热半导体厚度对温度位移的影响

7.2.4地表年平均温度对温度位移的影响

7.2.5地表年平均温度波幅对温度位移的影响

7.2.6地表特征与热半导体热容对温度位移的影响

7.3热半导体材料温度位移的数值实验

7.4砂砾路面下调控传导冷却路堤的可行性

7.4.1对称温度场分析

7.4.2非对称温度场分析

7.5沥青路面下调控传导冷却路堤的可行性

7.5.1 8.5m宽路堤

7.5.2 12.0m宽路堤

7.5.3 28.0m宽路堤

7.6小结

第八章 硅藻土护坡的试验研究

8.1硅藻土基本性质测试

8.2现场试验工程介绍

8.2.1试验场地介绍

8.2.2硅藻土护坡措施设计

8.3硅藻土护坡效果分析

8.3.1关于现场观测资料的说明

8.3.2坡面热状况对比

8.3.3地温对比

8.3.4上限对比

8.3.5综合分析

8.4硅藻土护坡效果的反演和预报

8.4.1反演方法介绍

8.4.2反演分析结果

8.4.3硅藻土护坡效果的预报

8.5小结

第九章结论与展望

9.1结论

9.2对下一步工作的展望

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文

致谢

作者简介