川西高原季节性冻土路基治理后冻融循环特征试验研究

摘要

季节性冻土作为一种极为敏感的不稳定土体，其物理性质随着气候和温度变化及冻融过程的发展而动态变化，季节性冻土区路基季节性冻融规律明显，受季节性冻胀和融沉的影响，导致膨胀、开裂、翻浆等一系列冻融灾害。公路的耐久性、实用性和安全性受到严重影响。近年来，随着西部大开发和“十三五”基础设施建设的稳步推进，川西季节性冰冻地区的公路和铁路建设将会加快，而季节性冻土区的路基冻胀融沉问题非常突出并且相关研究成果较少。因此，研究川西高原季节性冻土冻胀融沉的处理是十分必要的，可为道路冻胀融沉的处理提供参考。本文针对川西高原季节性冻土区康定至新都桥国道为研究对象，研制了路基土冻融循环效应治理试验系统，开展了冻融循环模型试验，利用建立的路基水热力耦合模型模拟模型试验，验证了数值模拟的可靠性。根据分析结果，证明了季节性冻土路基病害处理措施的有效性。主要研究内容和成果如下:　　(1)研制了路基冻融循环效应治理的试验系统。为了模拟川西高原季节性冻土区路基的冻融循环效应，综合考虑了温湿度及地下水等条件，设计了可程式试验仓、温湿度采集装置、应力应变采集装置、保温装置、防排水板及三维土工布系统、自动加热装置等，可实时采集记录路基模型中的温度和体积含水率及路基变形。　　(2)对路基模型进行了多次冻融循环试验。通过多次冻融循环试验测得的结果，研究分析了模型体在各个循环冻融阶段的含水量、温度和路基变形规律，并将川西季节性冻土区路基冻融循环效应与以往研究进行了对比，验证了本文针对季节性冻土路基冻胀融沉病害治理措施的有效性。　　(3)对模型试验进行了数值模拟分析。基于现有的水热耦合方程和模型，对室内模型试验进行了数值模拟，通过模拟结果与模型试验实测结果的对比发现，二者变化规律具有较强的相似性，证明了数值模拟结果的准确性，验证了对季节性冻土路基，通过铺设复合防排水板和三维土工布抑制地下水向路基内部迁移及铺设保温板阻碍路基与环境的热质交换的方式治理季节性冻土区冻胀融沉的可行性且治理效果较为明显。　　本文通过开发的路基冻融循环效应灾害控制试验系统，对季节性冻土地区路基进行了冻融循环效应模型试验，并通过建模进行了数值模拟，研究的结论对川西高原季节性冻土地区路基的冻胀融沉灾害的治理具有一定的借鉴意义。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及选题依据

1.2 国内外研究现状

1.2.1 室内冻融循环模型试验系统开发

1.2.2 冻土水热力耦合研究

1.2.3 冻土冻融灾害防治研究

1.2.4 现状分析及存在的问题

1.3 主要研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 季节性冻土路基冻融治理模型试验系统研制

2.1 试验地的气候和水文地质条件

2.1.1气候条件

2.1.2依托工程水文地质条件

2.1.3 川西高原季节性冻土分布特征

2.2模型设计与路基土配制

2.2.1试验依托地工程概况

2.2.2 路基模型尺寸设计

2.2.3 路基土配制

2.3 试验系统组成与功能

2.3.1 可程式试验仓

2.3.2 模型试验箱

2.3.3 控制子系统

2.3.4 自动采集子系统

2.3.5冻融循环效应治理系统

2.4 试验仪器及设备的埋设

2.4.1 位移传感器布置

2.4.2 保温装置布置

2.4.3 防排水装置埋设

2.4.4 温湿度传感器

2.4.5 土壤加热电阻丝埋设

2.5 本章小结

3 冻融循环作用下季节性冻土路基模型试验研究

3.1 冻融过程中温度随时间变化规律

3.1.1 第一次冻融循环中温度随时间变化特性

3.1.2 第二次冻融循环中温度随时间变化特性

3.1.3 第三次冻融循环中温度随时间变化特性

3.1.4 第四次冻融循环中温度随时间变化特性

3.2 冻融过程中水分随时间变化规律

3.2.1 第一次冻融循环中水分随时间变化特性

3.2.2 第二次冻融循环中水分随时间变化特性

3.2.3 第三次冻融循环中水分随时间变化特性

3.2.4 第四次冻融循环中水分随时间变化特性

3.3 冻融过程中变形随时间变化规律

3.3.1 第一次冻融循环中变形随时间变化特性

3.3.2 第二次冻融循环中变形随时间变化特性

3.3.3 第三次冻融循环中变形随时间变化特性

3.3.4 第四次冻融循环中变形随时间变化特性

3.4 本章小结

4 基于室内冻融循环试验的数值分析

4.1 模型的基本假设

4.2 水热耦合计算方程

4.2.1 温度场方程

4.2.2 水分场方程

4.2.3 未冻水含量

4.3 应力场方程

4.3.1 路基冻胀模型

4.3.2 冻胀模型

4.4 有限元模型及参数选取

4.4.1 模型简图

4.4.2 边界条件

4.4.3 计算参数

4.5 计算结果分析

4.5.1 计算结果分析

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献