G214国道多年冻土路基地温特性及路基保护措施研究

摘要

G214国道穿越大片多年冻土区，路基稳定性受诸多不利因素影响，部分路段病害频发。同时，青藏高原第一条高速公路共玉高速(G0613)与G214国道共和-玉树段平行修筑，对路基的稳定性提出了更高要求。因此，对G214国道多年冻土路基地温特性及路基保护措施的研究不仅可以为路基的修复、补强工作提供科学依据，还能为今后该地区的公路建设积累宝贵经验。本文的主要研究内容及结论如下:
　　1、在系统地分析了G214国道沿线冻土特性和气候特点的基础上，构建了无保护措施路基的水热耦合模型，对路基在年周期内和不同年份的温度场展开深入研究，并对不同高度、宽度、坡度的路基进行模拟计算，研究路基尺寸效应对地温的影响。结果表明:路基宽度越大，热稳定性越差;综合考虑多方因素认为，19m宽度路基的合理填筑高度为3～5m;路基坡度过大或过小，土体的热稳定性均难以达到最好。
　　2、提取相关文献中的地温监测数据，从浅层地温变化、竖向地温分布、一年内的温度变化、温度包络线等方面对不同结构路基的地温特性进行对比研究，结果表明:通风管路基温度变化幅度最大，冬季降温效果显著，但夏季管内高温导致上部土体温度远高于块石路基，下部土体的放热期不及块石路基持久。
　　3、通过在多孔介质非等温渗流模型中定义浮升力，模拟空气自然对流效应，利用水热耦合模型计算块石、通风管路基20年内的温度场、水分场及位移场。结果表明:通风管路基在降低地温、提高最大融深、减小土体下部未冻水含量、控制变形等方面的效果优于块石路基，但夏季土体高温的弊端较为突出。
　　4、研究块石路基的制冷机理，并据此计算不同粒径、不同厚度下块石路基的温度场，研究表明:块石层主要通过空气自然对流降温，其降温过程发生在11月至次年4月，2月中旬对流影响范围最广，1月中旬空气流速最大，且对流强度有逐年减小的趋势。不同厚度和粒径块石层的计算结果显示，当块石层厚度为1.8m时，路基的降温效率最高;当块石粒径为6～8cm时，路基的降温效果最好。
　　5、对有无控制门通风管路基的温度场进行数值模拟，计算结果显示，在通风管两侧安装自动控制门能在夏季有效降低通风管路基的地温，基本消除了普通通风管路基的弊端，路基的最大融深显著抬升，下伏土的热稳定性有明显改善。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状

1．2．1 多年冻土路基温度场研究现状

1．2．2 多年冻土路基工程保护措施研究现状

1．3 研究存在的不足

1．4 研究内容与技术路线

1．4．1 研究内容及方法

1．4．2 技术路线

2 G214国道的工程条件及热稳定性影响因素

2．1 G214沿线多年冻土分布及分类

2．1．1 G214沿线多年冻土分布

2．1．2 G214沿线多年冻土地温分区

2．2 G214多年冻土热稳定性影响因素分析与调查

2．2．1 自然气候环境

2．2．2 工程地质条件

2．2．3 路基设计参数

2．3 小结

3 无保护措施多年冻土路基地温特性

3．1 多年冻土路基水热耦合计算模型的建立

3．1．1 构建控制方程

3．1．2 建立有限元模型

3．1．3 边界条件和初始值

3．1．4 计算结果验证

3．2 多年冻土路基温度场年周期内的变化

3．3 多年冻土路基温度场逐年变化

3．4 路基高度对多年冻土路基温度场的影响

3．4．1 不同路基高度下地温与深度的关系

3．4．2 不同路基高度下的最大融化深度

3．4．3 路基合理高度的确定

3．5 路基宽度对多年冻土路基温度场的影响

3．5．1 不同路基宽度下地温与深度的关系

3．5．2 不同路基宽度下的最大融化深度

3．6 路基坡度对多年冻土路基温度场的影响

3．6．1 不同路基坡度下地温与深度的关系

3．6．2 不同路基坡度下的最大融化深度

3．7 小结

4 多年冻土区不同结构路基地温监测研究

4．1 监测数据来源

4．2 监测断面概况

4．3 地温研究成果

4．3．1 地温与深度的关系

4．3．2 浅层地温变化特性

4．3．3 一年内的温度变化

4．3．4 温度包络线分析

4．4 小结

5 块石、通风管路基水热及变形效应研究

5．1 块石、通风管路基水热耦合模型的建立

5．1．1 构建控制方程

5．1．2 建立有限元模型

5．1．3 边界条件及初始值

5．1．4 计算结果验证

5．2 多年冻土区不同结构路基的温度场

5．2．1 年周期内的温度场

5．2．2 不同年份的温度场

5．2．3 最大融化深度

5．3 多年冻土区不同结构路基的水分场

5．3．1 普通路基的水分场

5．3．2 通风管路基水分场

5．3．3 块石路基水分场

5．4 多年冻土区不同结构路基的位移场

5．4．1 建模过程

5．4．2 一年内最大冻融变形

5．4．3 路肩20年内的变形

5．5 小结

6 块石、通风管路基降温机理及不同工况模拟

6．1 块石、通风管降温机理

6．2 块石层空气自然对流效应研究

6．2．1 温度等值线与空气流线

6．2．2 空气流速

6．2．3 空气流速均值随时间的变化

6．3 块石路基不同工况模拟

6．3．1 不同厚度下的地温

6．3．2 不同粒径下的地温

6．4 有无控制门的通风管路基模拟

6．4．1 路基中心处的地温

6．4．2 路肩处的地温

6．4．3 坡脚处的地温

6．5 小结

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

7．3 不足与展望

参考文献

作者简历、科研成果及参与项目

学位论文数据集