多年冻土区路基纵向裂缝形成机理及演化规律研究

摘要

纵向裂缝作为多年冻土区路基工程常见病害，分布广、规模大、危害严重。由于多年冻土路基穿越地区多为高温高含冰量冻土区，土体冻融敏感性显著，受季节周期波动、阴阳坡效应、降雨、载荷等诸多因素影响，冻土内生裂隙较为发育，使得多年冻土区路基纵向裂缝问题极其复杂。因此，开展多年冻土路基工程纵向裂缝发生发展规律研究、揭示其发生机理及演化过程非常必要，研究成果对青藏高原多年冻土路基长期稳定及防灾减灾具有重要的工程应用价值。
　　本文以青藏高原多年冻土区路基纵向裂缝问题为研究背景，通过室内冻融循环试验与CT扫描技术，构建冻融过程中粉土冷生裂隙形成机理概念与演化模型来分析纵向裂缝成因机制；配套自行研制的柔性传感器模型试验系统对不同环境因素下路基潜在裂缝发展域动态演化规律进行研究，并结合数值模拟方法进一步分析影响纵向裂缝扩展的关键因素，为指导工程实践提供依据。主要研究成果及进展如下：
　　（1）基于数字图像处理技术、CT扫描技术，对青藏高原粉土冻融作用下冷生构造发育机理进行了研究，系统分析了冻融过程中冷生构造发育形态、水分迁移机制、分凝冰生长等演化过程，揭示了青藏高原粉土冻融过程中冷生裂隙形成机理，并建立了冻融过程冷生裂隙形成机理概念模型。
　　（2）自行研制了一种适用于冻土路基一维拉伸变形的柔性薄膜传感器，自行设计制作了冻土路基空间温度场和裂缝发展域测试的物理模拟试验系统，开展了季节周期波动、阴阳坡效应、降雨及坡脚积水因素下，普通路基、通风管路基和碎石路基空间温度场测试和路基横向一维拉伸变形区域测试。
　　（3）通过分析冻土路基环境模拟试验测试结果，揭示了不同形式冻土路基空间温度场分布规律及裂缝潜在发展区域分布，研究了季节大气周期变化、阴阳坡效应、降雨（水）环境、坡脚积水等与路基潜在裂缝发展域的相关关系，以及路基裂缝区域扩展形态。
　　（4）建立多年冻土区路基阴阳坡空间温度场计算模型，通过分析阴阳坡温度的变化，揭示了路基阴阳坡空间温度场演化规律，研究了季节周期内冻土路基冻土上限和融化深度的关系，对比分析显示，数值计算结果与室内模型试验阴阳坡温度场分布规律一致。
　　（5）基于路基工程中裂缝扩展有限元研究方法，建立了多年冻土区路基裂缝扩展过程规律的计算模型，计算了冻土路基裂缝扩展深度与阴阳坡效应、填土性质、填土高度及路面荷载的关系。研究结果表明：阴阳坡效应、路基高度、填土融沉系数及路面荷载对裂缝扩展均有重要影响，其中填土弹性模量与裂缝扩展深度呈指数衰减，填土高度与裂缝扩展深度呈对数增长，路面荷载引起的沉降量可作裂缝扩展深度的预判参数。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1研究背景和意义（Background and Significance）

1.2国内外研究现状（Research Status at Home and Abroad）

1.3研究内容、方法及技术路线（Contents, Methods and Routes）

2 粉土冻融过程中冷生构造形成机理研究

2.1粉土冻融试验系统的建立(Establishment of Testing System for Silt Freezing and Thawing)

2.2冻土 CT 扫描与数字图像处理技术概述(Introduction for CT and DIP of Frozen Soil)

2.3试验结果分析(Analysis of Test Results)

2.4本章小结(Chapter Summary)

3 冻土路基空间温度场与裂缝发展域模型试验研究

3.1柔性变形传感器的研制(Development of Flexible Deformation Sensor)

3.2冻土路基相似模化(Similar Modeling of FSS)

3.3冻土路基模型试验装置及模拟环境设计(Model Testing Device and Simulation Environment Design of FSS)

3.4试验设计与试验步骤(Testing Design and Step)

3.5本章小结(Chapter Summary)

4 冻土路基空间温度场分布规律与裂缝发展域特性分析

4.2冻土路基空间温度场分析(Analysis of Space Temperature Field of FSS)

4.3冻土路基裂缝发展过程区域判断(Local Judgement of Crack Propagation of FSS)

4.4本章小结(Chapter Summary)

5 多年冻土区路基纵向裂缝演化过程数值分析

5.1计算方法及控制方程(Calculation Method and Control Equation)

5.2计算模型的建立(Establishment of Calculation Model)

5.3冻土路基温度场演化过程分析(Evolution Analysis of Temperature Field for PRS)

5.4冻土路基裂缝发展过程影响因素分析(Analysis of Factors in Crack Propagation of PRS)

5.5本章小结(Chapter Summary)

6 结论与展望

6.1结论（Conclusions）

6.2展望（Prospects）

参考文献

作者简历

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