冻土区公路路基阴阳坡热效应及处置措施研究

摘要

青藏工程走廊整体呈东北-西南走向，加之青藏高原强烈的太阳辐射及高大气透明度，导致廊内路基工程存在显著的“阴阳坡”现象。在阴阳坡热效应作用下，路基阳坡路肩沉降变形普遍大于阴坡路肩，由此引发包括路基倾斜、边坡滑塌、纵向裂缝等一系列工程病害问题，对该地区拟建和已建成的工程建筑物的安全运营构成了极大的威胁。因此，为了给冻土区公路路基工程病害的防治工作提供科学依据，研究阴阳坡热效应机理就变得非常重要。 在路基阴阳坡效应的研究中，过去较少考虑路基阴阳坡面热状况的差异，更多的是以对称路基来研究路基的长期热状况问题。即使在已有考虑阴阳坡效应的研究中，也仅关注路基下部左右路肩人为上限的差异分布，并未考虑阴阳坡侧路基本体的差异性季节冻融过程，而这一过程与部分路基路面病害问题密切相关。据此，针对青藏工程走廊内路基工程的阴阳坡热效应问题，本文基于青藏公路多年冻土典型路段实测资料，从路基走向、路基高度和年平均气温等方面系统考察了路堤阴阳坡侧浅层土体的冻融特征、季节冻融过程与路基下部人为上限、融化夹层的差异性发展过程，并初步开展了青藏高速公路两路并行下相邻路基土体热干扰的模拟研究，且根据目前青藏工程走廊内广泛使用热管方式来保持路基的稳定性的现实，从热管的布设方式出发，研究不同布设方案下路基阴阳坡的处治效果。以期为后期青藏工程走廊内重大道路工程的建设和后期运营维护提供科学依据。本文的主要研究结论如下： （1）在气候变暖背景下，青藏公路路基左右路肩冻结指数逐年下降，其融化指数逐年上升。左右路肩冻结指数差异相较于融化指数更为显著，其中以东西走向差异最明显，其冻结指数差异最大相差 2.36倍，而阴坡融化指数差异不大。 （2）阳坡侧总是先于阴坡侧进入融化期，且晚于阴坡侧进入冻结期。在东西走向下左右路肩的融化期和冻结期的持续时间相差1个月，南北走向相差不大。高填方路基下伏冻土层冻融状态的不对称较同时期的普通路基显著，因此更易引发路基横向差异变形及纵向裂缝类路基路面病害。 （3）阴坡侧路肩下部的人为上限在路基运营初期时均发生不同程度的抬升，东西走向下抬升时间最长，最大可维持约 22年。此后，阴阳坡侧路基下伏人为上限均开始下降，路基运营50年内，其人为上限最大下降速率超过20cm/a。 （4）热管路基对缓解阴阳坡效应有着积极作用，抬升了热管侧的冻土上限，始终保持在3.3m附近。在路基土体深度为4m~8m范围内，温度下降最大可降温约 4℃。随后在气温变暖下，普通路基和热管路基地温缓慢升高。在 8m 深度以下，热管路基的升温幅度仅在0.2~0.6℃。 （5）总体来说，在低温少冰量多年冻土区（年平均地温<-1℃），由于路基下部多年冻土热稳定性较好，可采用单侧直插式热管；在高温高含冰量多年冻土区（年平均地温>-1℃），路基下部多年冻土热稳定性较差，宜采用双侧直插式热管措施；在出现融化夹层路基的情况下，可采用双侧斜插式热管。 （6）分离式路基不仅给土体带来更多的热量，而且在两者间距相近时，其相互之间的热扰动会影响到路基土体的温度场分布状况。在保证青藏高速公路两条道路相互并行且相互不干扰的情况下，建议分离带的修筑宽度不宜小于10m。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容及技术路线

第二章 冻土区公路路基阴阳坡热效应量化模拟

2.1冻土路基数值传热模型及参数

2.2路基走向对路基温度场的影响

2.3年平均气温和路基高度对路基温度场的影响

2.4 讨论

2.5 本章小结

第三章 冻土区热管路基降温及阴阳坡效应处治分析

3.1 计算模型

3.2 结果分析

3.3 讨论

3.4 本章小结

第四章 冻土地区分离式路基热干扰研究

4.1 分离式路基

4.2 新修筑路基的热干扰分析

4.3新旧路基间的热干扰分析

4.4 本章小结

结论与展望

主要结论

研究展望

参考文献

致谢

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