多年冻土区新型路桥过渡段结构试验研究

摘要

自青藏铁路修建以来，在多年冻土区的路桥过渡段处出现了大量病害问题，其中最为严重的是桥台与过渡段的差异性沉降问题。而目前针对多年冻土地区的路基病害问题，已有片块石路基以及通风管道路基等多种以降低路基温度，抬升冻土人为上限的方式的冻土路基，其主要的降温机理是对流换热。但是对于冻土地区的路桥过渡段病害问题，目前还没有统一的过渡段结构形式。通常的处理措施为:在差异沉降造成的凹陷坑内用道砟或碎石进行回填，这种方式从短期治理效果看来是具有修复速度快，修复成本低，且不影响正常的列车运营等优点，但是从长期看来，这种处理方式修复频率高，修复后维持时间短，且容易造成新的病害问题。因此，有必要针对冻土地区的路桥过渡段病害问题特点提出一种新型的路桥过渡段结构，以减小该区域的病害温度，提高铁路运营质量。
　　为此，本文通过将冻土地区的路基病害防治措施与一般非冻土地区路桥过渡段的病害治理措施相结合的思路，提出了一种新型的冻土地区路桥过渡段结构形式，并通过室内模型试验和数值模拟，对该路桥过渡段在冻土地区的水分场、温度场以及沉降规律和使用效果与传统片碎石路基结构形式进行对比分析。得出了以下结论:
　　(1)新型路桥过渡段结构中心底下的平均温度较传统块碎石路基结构下的温度低，表明新型路桥过渡段结构对地基具有较好的冷却效果，并且新型路桥过渡段结构顶层的块碎石层温度明显低于传统块碎石路基结构填料层的温度，说明了新型路桥过渡段中的碎石层具有较强的自然对流换热过程。
　　(2)路基体中的温度、冻融循环过程以及加载作用均对地基冻土层中的未冻水含量有较大的影响，随着温度的降低未冻水含量降低，随着加载作用，未冻水含量增加，随着冻融循环过程增加未冻水含量减下。
　　(3)新型路桥过渡段结构在荷载作用下，路桥沉降差比传统块碎石路基结构的路桥沉降差小很多，说明新型冻土地区路桥过渡段结构对缓解路桥过渡段的差异性沉降具有较好的效果。
　　(4)通过数值数值模拟计算，对三种过渡段温度场进行了对比分析，发现其具有较好的降温效果。在对其50年的长期热稳定分析发现，新型过渡段长期热稳定性较好。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究意义及背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 一般地区过渡段研究现状

1．2．2 冻土地区过渡段的研究现状

1．2．3 片块石路基的研究现状

1．3 本试验研究的主要内容和技术路线

1．3．1 本研究的主要内容

1．3．2 本课题拟采用的技术路线

2 青藏铁路多年冻土区气候及块碎石路基

2．1 青藏铁路冻土地区气候特征

2．2 青藏铁路沿线多年冻土特征

2．3 片块石路基及新型路桥过渡段的提出

2．3．1 片石路基降温效果的形成机理

2．3．2 影响片石路基对流换热长期效果的主要因素

2．3．2 新型冻土地区路桥过渡段结构的提出

3 路桥过渡段室内模型试验

3．1 试验装置

3．2 模型试验过程

3．2．1 模型的相似性原理

3．2．2 混凝土桥台的制作过程

3．2．3 路桥过渡段的制作

3．2．4 过渡段模型与路基模型制作过程

3．3 试验加载方案

3．3．1 加载依据

3．3．2 加载图示

3．3．3 加载量的确定

3．4 试验模拟区的选定

4．试验过程及数据分析

4．1 试验过程

4．1．1 活动层的形成

4．2 温度场分析

4．2．1 模型一温度场分析

4．2．2 模型二温度场分析

4．2．3 模型一与模型二温度场对分析

4．3 水分场分析

4．4 过渡段与桥台的沉降规律

5 数值模拟分析

5．1 数值模型的建立

5．1．1 模型的介绍

5．1．2 网格的划分

5．2 理论基础及控制方程

5．3 边界条件的确定

5．4 数值模型的材料热物理参数的确定

5．5 模型试验的对比验证分析

5．5．1 天然地表温度对比验证

5．5．2 路基中心温度对比验证

5．6 本章小结

6 多年冻土区新型路桥过渡段温度场的数值模拟及长期热稳定性分析

6．1 路桥过渡段横断面温度场分析

6．2 路桥过渡段纵断面温度场分析

6．3 路桥过渡段的长期热稳定性

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 问题与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果