季节性冻土区封闭式路基结构水热稳定性数值模拟

摘要

季节性冻土区，路基在冻融循环作用下发生变形，致使路面产生开裂、翻浆冒泥等一系列病害，究其原因是冻融过程中路基土体内水分迁移和相变所致。可见路基冻融变形受控于土体中温度和水分的变化规律，其本质是土颗粒、冰和未冻水在土水势、压力等因素的相互作用下引起。
　　对于道路的冻融破坏，目前已提出多种治理措施，主要包括改善路基土质、保温法、改善路基水分状况、改进路基路面结构、以及整体考虑的综合措施。封闭式路基就是在综合考虑导致冻土路基冻融破坏的各种因素的基础上提出的。其在路基边坡、顶部和路基填土与天然地基交界处铺设保温隔水材料以起到保温和改善路基水分状况的作用。
　　这种路基结构目前还没有实际应用，缺乏相应的监测资料和实验数据。本文应用COMSOL Multiphysics有限元软件，根据已有的水-热-力耦合模型，模拟研究了季节性冻土区普通路基和封闭式隔水路基温度场、水分场、位移场的分布演化规律，对比评价了封闭式隔水路基的水热稳定性以及防冻胀变形的有效性。此外，还对封闭式路基中保温隔水材料的合理埋深进行了研究。通过比较保温隔水材料不同埋置深度时封闭式路基的水热稳定性和变形特征得出其合理埋设深度。旨在为季节性冻土区推广使用该种路基提供设计依据和理论指导。研究结果表明:
　　(1)封闭式路基具有更好的热稳定性，其内部土体温度基本保持不变，仅保温隔水材料外部土体温度随季节发生变化，保温隔水材料阻止了路基土冻结锋面的前移，有效改善了路基坡脚处温度变化对路基的不利影响。同时在保温隔水材料的影响下，封闭式路基冻结速度较快，解冻速度较慢，且冻结后低温区域较大。
　　(2)冻融时，封闭式路基受水分变化的影响范围较小，其中被保温隔水材料封闭的土体内水分不发生变化，只有外部土体在温度影响下发生水分重分布。从总体积含水量沿深度的分布情况来看，路基土冻结过程中水分迁移现象明显，冻融界面以下一定范围内土体的含水量显著减小，冻结土体总体积含水量明显增大，最大可达26.7％。此外，水分迁移不仅发生在土体冻结过程中，在冻结前也有水分迁移。
　　(3)冻融过程中，普通路基和封闭式路基的变形规律相同。冻结后，路基坡顶处竖向变形大于路基中心处竖向变形，路基顶面呈凹形。相比而言，封闭式路基表面竖向变形显著减小，减小量可达66％。此外，封闭式路基坡脚不发生冻胀，且其顶面相对位移也显著减小，这种变化减弱了由不均匀变形引起的破坏作用，有利于路面结构的稳定。融沉后，路基顶面呈凸形，最大沉降发生在路肩处，且普通路基的沉降量大于封闭式路基。
　　(4)经综合比较保温隔水材料埋设不同的封闭式路基的温度、含冰量和位移变化情况后得出:封闭式路基中保温隔水材料的埋深应小于0.7m。在这种埋深下，路基的温度场相对稳定，总含冰量相对较小，路面变形均匀，冻融循环对路基稳定性的影响减弱，路基防冻融破坏性能得到有效发挥。
　　从封闭式路基的水热稳定性和变形规律来看，封闭式路基具有较好的水热稳定性和较小的冻胀变形，能显著改善路基顶面冻融时的不均匀变形，减弱由不均匀变形引起的破坏作用，是一种较好的防冻融病害的路基结构。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 冻土路基病害治理研究现状

1．2．2 冻土水-热-力耦合理论及模型研究现状

1．3 研究目的及意义

1．4 研究内容及思路

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究思路

2 冻土水-热-力耦合基本理论

2．1 冻土温度场特征及其扩散方程

2．1．1 冻土温度场特征

2．1．2 温度场扩散方程

2．2 冻土中水分迁移特征及其控制方程

2．2．1 冻土的水分迁移

2．2．2 水分场控制方程

2．3 冻土的水-热耦合

2．3．1 土体冻结过程中水热的相互作用机理

2．3．2 冻土的水-热耦合模型

2．4 冻土水-热-力三场耦合关系及数学模型

2．4．1 冻土水-热-力三场耦合关系

2．4．2 冻土水-热-力耦合数学模型

2．5 本章小结

3 冻土路基水-热-力耦合效应分析

3．1 COMSOL软件介绍及模块选择

3．2 路基模型及参数选取

3．2．1 路基模型

3．2．2 参数选取

3．3 边界条件及初始条件

3．3．1 边界条件

3．3．2 初始条件

3．4 计算结果分析

3．4．1 温度场分析

3．4．2 水分场分析

3．4．3 变形分析

3．5 本章小结

4 封闭式路基结构水热稳定性数值模拟

4．1 有限元模型及参数选取

4．1．1 模型建立

4．1．2 参数选取

4．2 边界条件及初始条件

4．2．1 边界条件

4．2．2 初始条件

4．3 模拟结果分析

4．3．1 路基温度场分析

4．3．2 冻融时路基未冻水含量变化情况

4．3．3 冻融时路基含冰量变化情况

4．3．4 路基变形分析

4．4 本章小结

5 封闭式路基结构保温隔水材料合理埋深的确定

5．1 保温隔水材料不同埋设深度时路基有限元模型及参数选取

5．2 数值模拟结果分析

5．2．1 温度场对比分析

5．2．2 含冰量对比分析

5．2．3 变形对比分析

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果