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    多年冻土区路基U型水沟热力耦合理论分析及现场试验.pdf

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    多年冻土区路基U型水沟热力耦合理论分析及现场试验.pdf

    第37卷第7期铁 道 学 报Vol. 37 No. 72 0 1 5年7月JOURNAL OF THE CHINA RAILW AY SOCIETY July 2015文章编号1001- 8361 2015 07- 0092- 06多年冻土区路基U型水沟热力耦合理论分析及现场试验田亚护, 沈宇鹏, 隗新宇, 刘乃夫北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044摘 要针对青藏铁路多年冻土区路基坡脚U型排水渠道的冻胀病害,采用热力耦合的有限元方法对U型排水渠道的温度场和应力场进行数值计算,分析U型排水渠道周围土体的温度场和渠道所受水平冻胀力的分布特点及渠道冻害产生的原因,并对提出的防治措施进行现场验证。结果表明,寒季在U型排水渠道附近将出现二维冻结区域,产生的水平冻胀力可导致其破坏;渠道所受水平冻胀力沿埋深呈不均匀形状分布,中段较大,两端较小;渠道周围换填10 cm厚非冻胀填料可有效减小水平冻胀力,使其稳定性明显提高。关键词多年冻土; U型排水沟;纵向裂缝;水平冻胀力中图分类号TU471. 7 文献标志码A doi10. 3969/j. issn. 1001- 8360. 2015. 07. 015Theoretical Analysis of Thermo- mechanical Coupling andField Test on U- type Canal of Embankment in Permafrost RegionsTIAN Ya- hu, SHEN Yu- peng, W EI Xin- yu, LIU Nai- fu School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, ChinaAbstract In response to the frost damages of U- type canal of the embankment of Qinghai- Tibet Railway in per-mafrost region, the temperature and frost heave stress fields of U- type canal were simulated through coupledthermo- mechanical FEM theory, to analyze the distribution characteristics of temperature field of soils sur-rounding the U- type canal and horizontal frost heaving force of the canal, and the causes of frost damages.Field verification was conducted on the prevention and control measures proposed. The computational resultsshowed that a 2- D frozen zone would appear near the U- type canal in winter and the consequent horizontal frostheave force would cause the failure of the canal. The horizontal frost heave forces distributed unevenly alongthe depth of U- type canal, with higher horizontal frost heave forces occurring at 1/ 2 2/ 3 depth of U- type ca-nal and lower frost forces on top and bottom of the canal correspondingly. Replacing the soil along the U- typecanal with 10cm- thick non- frost- heave material can effectively reduce the horizontal frost heaving force and sig-nificantly improve the stability of the canal.Key words permafrost; U- type canal; longitudinal crack; horizontal frost heave force在冻结过程中,土体温度降到冰点以下时,土中原有的孔隙水和冻结过程中迁移的水分将结冰而产生体积膨胀即冻胀。冻胀变形受建筑结构的限制时,建筑物将受到土体冻胀力的作用。研究表明[ 1- 2] ,土的冻胀敏感性强弱主要受土的性质、土中含水量及土体温度的影响,土的自由冻胀变形量被约束得愈多,土冻结时收稿日期2014- 08- 18; 修回日期2015- 03- 11基金项目国家自然科学基金 41271072 ;国家科技计划 2012CB026104 ;中央高校基本科研业务费 2011JBZ009作者简介田亚护 1974 ,男,陕西武功人,讲师,博士。E- mail yhtian bjtu. edu. cn对建筑物作用的冻胀力就愈大。在多年冻土区,工程建筑物常遭受地基土体冻结产生的冻胀影响,由此引起的病害严重影响建筑物的服役性能[ 3] 。青藏铁路多年冻土地区,路基坡脚两侧的排水设施多采用预制钢筋混凝土U型槽结构。根据青藏铁路养护部门的统计[ 4] ,混凝土U型结构排水渠道每年都遭受不同程度的冻胀破坏,导致U型混凝土构件发生纵向裂缝,见图1。受高原气候及环境影响,该排水渠道的养护维修给工务部门带来较大的工作强度和压力。G21G21 G22G22G23G24G25G26G27G28G29G2A在我国道路工程中,路基两侧排水沟多采用常规设计方法,一般视为附属工程。目前国内外关于多年冻土地区路基工程两侧排水渠道研究的相关报道不多。王引生等[ 5]通过室内模型试验,对多年冻土区隧道排水侧沟铺设加热电缆后的稳定性进行了研究。王智辉[ 6]根据南疆铁路吐库段路基冻害产生的原因,提出了采用保温盲沟和换填渗水土的方法进行路基截排水。目前国内外寒区排水沟渠冻害方面的研究主要集中在农田水利部门,日本采用钢筋混凝土矩形渠槽与基底换填的复合结构,美国、俄罗斯多采用混凝土或钢筋混凝土平板型式,取得较好的防冻胀效果但其造价较高[ 7- 8] ;我国水利部门对季节冻土区渠道结构及破坏特点[ 9- 11] 、衬砌材料[ 12- 14] 、伸缩缝填料[ 15]等方面进行了广泛研究。相对水利部门的排水渠道,青藏铁路多年冻土区路基坡脚排水渠道断面较小、埋深较浅且位于多年冻土地区,渠道病害的诱发原因与季节冻土区的不尽相同,而且受高海拔及气候条件限制,一般地区采用的渠道结构及施工方法在高原多年冻土区成本较高。本文根据青藏铁路多年冻土地区沱沱河附近路基坡脚U型排水渠道的现场情况,采用热力耦合的有限元方法对U型排水渠道的温度场和应力场进行数值计算,分析U型排水渠道的温度场和所受水平冻胀力的分布特点及冻害产生的原因,提出了防治措施,并对该措施进行了现场试验,对寒区道路工程的排水设施设计和养护维修有一定的借鉴意义。1 有限元控制方程多年冻土区考虑土骨架和水的热传导以及冰水相变作用,二维土体中温度满足带相变瞬态温度场的热传导微分方程式[ 16]ρ c ∂ T∂ t ∂∂ xλ ∂ T∂ x ∂∂ yλ ∂ T∂ y 1 其中,λ λ u T Taλ f λ u - λ fTa - Tb T - Tb Tb ≤ T ≤ Taλ f T Tacf c u - cfTa - Tb T - Tb Lw1 w∂ wi∂ T T b ≤ T ≤ Tacf T Tb式中 T为土体的温度, ℃ ;λ为土体的热传导系数, J/ m h ℃ ;ρ为土体的天然密度, kg/ m3 ; c为土体的比热容, J/ kg ℃ ; Ta和Tb分别为冻土相变时温度区间的上、下限; Lw为水的相变潜热值,取334. 56kJ/ kg; w为土的含水量;脚标u和f分别代表土处于未冻和冻结状态。由于相变界面上土体的部分热物理参数与温度的变化是间断的,求解式 1 中的含有相变的热传导方程时采用“焓法”模型,求解过程见文献[ 17] 。土体发生冻胀时,其变形包括瞬时弹性变形ε e、塑性变形ε p和因温度变化引起相变发生的变形ε th。冻胀过程中,土体变形的热弹塑性体应变增量为dε ij dε eij dε pij dε thij 2 土体冻结过程中热弹塑性应力σ与应变ε的关系为[ 18]dσ ij D epijkl dε kl hij dT 3 式中 D epijkl为热弹塑性张量; hij为热应变应力的张量。对于平面应变问题,假定冻土和未冻土均为各向同性体。对于土体的冻胀变形dε thij ,计算因温度变化引起的冻胀应变增量dε th dε thxdε thydγ thxy 13dε vdε v0 dα Tdα T0 4 式中ε v为土的体积变形;α T为土的瞬时冻胀系数。假定冻结过程中土颗粒体积不变,土体冻胀后体积膨胀应变ε v的关系可表示为ε v 0. 09 W - W u W - n0 5 式中 W为土的初始含水量; W u为未冻水含量; n0为土的孔隙率。2 计算模型及参数2. 1 计算模型青藏铁路沱沱河附近路基坡脚排水渠道采用U型混凝土预制构件拼装而成,预制构件厚8 cm,宽1m,埋深1 m。相对整个路基, U型水渠道尺寸较小且距离路基坡脚约10 m,路基本体对水渠道周围土体温度场的影响可忽略,渠道周围土体的温度场分布近似按对称处理。该地区天然地层冻土上限约2 m。计算模型中, S1 、 S2 、 S3分别为粉质黏土、砾石土、强-弱风39第7期田亚护等多年冻土区路基U型水沟热力耦合理论分析及现场试验 化泥岩。模型宽度为从U型排水渠道向外延伸20m,计算深度取20 m。根据对称性,取U型排水渠道右半部分进行计算。 U型排水渠道的横断面结构及计算区域见图2。天然地表实测坡度为6 。G21G21 G22G23G24G25G26G26G27G28G29G25G2AG22G2BG2CG2DG2EG2FG30G31G32G33G23G34G30G24G34G25G2AG35G36G25G2AG37G38G39G22G2BG2CG2DG3AG25G21G26G27G3BG3CG3DG3EG30G28G34G3FG40G41G42G43G44G21G26G21G21G21G29G22G2BG2CG2DG45G2AG46G27G2BG27G2CG2DG22 G23G24G25G29G2EG26G27G21G27G27G2BG2FG262. 2 计算参数根据既有文献资料[ 16, 20] ,各材料热参数见表1。表1 各材料热物理参数材料参数T/ ℃- 15 - 10 - 5 - 2 - 1 - 0. 5 0 15混凝土ρ 2 350 2 350 2 350 2 350 2 350 2 350 2 350 2 350λ 6 264 6 264 6 264 6 264 6 264 6 264 6 264 6 264c 970 970 970 970 970 970 970 970S1ρ 1 708 1708 1 708 1 708 1 708 1 708 1 708 1 708λ 3 060 3 060 3 060 3 060 3 060 3 060 2 052 2 052c 945 1 050 1 090 1 115 1 140 1 210 1 285 1 285S2ρ 1 850 1 850 1 850 1 850 1 850 1 850 1 850 1 850λ 4 284 4 284 4 284 4 284 4 284 4 284 3 420 3 420c 835 840 850 860 870 900 1 070 1 070S3ρ 2 130 2 130 2 130 2 130 2 130 2 130 2 130 2 130λ 7 480 7 480 7 480 7 480 7 480 7 480 6 300 6 300c 950 1 060 1 110 1 140 1 190 1 250 1 350 1 350冻土的力学性质与温度密切相关,冻土的弹性模量E、泊松比μ 、黏聚力C和摩擦角φ与土温的关系为[ 21- 22]E a1 b1 T mμ a2 b2 TC a3 b3 Tφ a4 b4 T 6 式中 ai和b i i 1, 2, 3, 4均为试验常数,土温大于0℃时bi 0; m为小于1的非线性指数,取0. 6。计算区域内各材料的力学参数取值见表2。根据文献[ 23] ,混凝土材料的弹性模量、泊松比和膨胀系数分别取2. 2 104 M Pa、 0. 16和10 10- 5 。表2 土层的力学参数土层a1/M Pab1 a2 b2a3/M Pab3 a4 b4S1 28 26 0. 40 - 0. 008 0. 015 0. 090 14 0. 60S2 61 53 0. 35 - 0. 007 0. 03 0. 094 15 0. 75S3 140 108 0. 25 - 0. 004 0. 10 0. 24 20 0. 90G21G21 G22G23G24G25G21G22G26G27G28G29G2AG2BG2CG2DG2EG26G2FG30G31G2BG2AG29G2BG23G21G2DG2EG23G21G32G33G34G35G36G37G38G24G25G22G24G22G25G26G27G26G25G28G24G29G25 G28G22G2AG27 G2BG22G2AG25 G28G26G2AG27根据文献[ 24] ,粉质黏土S1的未冻水含量与温度的实验结果见图3,可采用以下拟合函数表示W u m T n 7 式中 m 7. 417; n - 0. 532。根据2011年8月沱沱河附近路基坡脚天然地层的现场实测, S1的初始含水量取平均值26. 7 。因U型排水渠道埋深较浅,计算中未考虑冻结过程中的水分迁移。 S2和S3位于冻土上限以下,计算时假定其无冻胀发生。2. 3 边界条件根据试验段实测地温资料和附面层原理[ 25] ,天然地表AB边界温度的变化规律为Tab - 1. 5 12sin 2π8 640th - π 2 8 BC和DE采用绝热边界条件; AE边界近似采用与AB边界温度相同条件;下边界CD温度梯度取0. 03 ℃ / m。根据边界条件和天然地层的土体特性,用式 1 中∂ T∂ t 0作为上边界条件求解,直到年变化层以下的温度场基本保持稳定且相同位置上的温度在同一时间段逐年相同为止,取此时各个节点的温度作为初始条件[ 17] 。力学边界条件左右两边BC和DE的水平位移49 铁 道 学 报第37卷为0;底边界DC的水平和竖向位移都为0; AB和AE边界为自由边界。3 计算结果与分析根据青藏铁路路基排水渠道现场调查统计[ 4] ,排水渠道病害严重地段一般在竣工后2年就有纵向裂缝现象。本文主要分析排水渠道附近区域在寒季时的热力状况。 U型排水沟建成后第2年和第3年的温度场变化见图4。G21G21 G22G22G23G24G25G26G27G28G29G2AG2BG2CG23G23G23G23G24G25G26G23G24G25G27G28G21G25G2DG29G2EG2FG27G30G2AG23G31G27G23G32G33G29G2BG2CG23 G27 G21 G2D G2EG34G29G2BG2CG2DG2FG2EG2FG28G30G27G31G27G23G32G23 G27 G21 G2D G2EG34G29G2BG2CG27G28G21G33G29G2BG2CG26G27G26G28G26G21G26G25G26G2D从图4可以看出,第2年10月渠道附近等温线基本与其边界平行分布。 10月中旬,随着高原太阳热辐射量的逐渐减小和外界气温的逐渐降低,季节活动层的土体基本处于散热状态,且其基本已达到最大融化深度。受渠道结构影响,渠道中心以下最大融化深度较天然上限位置低约0. 3 m。随着气温逐渐降低,到第3年2月,渠道周围土体完全冻结,土体含水量较大时会有冻胀变形发生。根据U型渠道在寒季温度场的分布特点,其冻结过程见图5。在寒季,冷量沿天然地表和U型水沟表面进入周围土中,导致土体冻结。根据文献[ 1- 2, 16] ,土体冻结过程中,内部冰晶增长的方向与热流方向一致,且冻胀力沿热流方向出现。因此,在图5中AB右侧区域土体冻结过程中冰晶的增长方向基本与地表平行,即土体冻胀变形方向为垂直向上,但此范围内土体基本不受建筑物的约束,表现为自由变形。 U型渠道基本不受这个区域土体的冻胀变形影响。对于图5的ABCDE区域,其范围随着冻结时间的持续而逐渐扩大,最后趋于稳定。冻结过程中,土体受到水平和垂直两个不同方向热流的影响,处于双向冻结区域,且冰晶增长方向基本与等温线平行。该区域土体有冻胀变形时受U型渠道结构的约束,所以U型渠道将受冻胀力σ的作用,冻胀力σ水平分力σ x直接影响U型渠道在水平方向的变形。土中含水量较高且土温较低时, σ x将超过混凝土的允许强度,导致U型渠道出现纵向裂缝直至完全破坏。在图5的CDGF区域,因U型渠道结构的对称性,土体冻结后G21G21G21G21 G22G23G24G25G21G22G23G24G25G26G27G28G26G27G28G29G2AG2BG21G21G29G2CG2DG2EG2FG30G26G27G28G29G31G2B产生的σ x在U型渠道左右方向相互抵消,竖向分力σ y可能使U型渠道发生垂向位移。图6为U型渠道所受水平方向的冻胀分力σ x在不同时间沿其深度的变化趋势。从图6可以看出, σ x沿U型渠道的埋深呈不均匀形状分布,在U型渠道埋深的1/ 2 2/ 3位置σ x值较大而两端位置附近σ x值较小,该分布形式与文献[ 26]基本吻合。从11月中旬开始相同位置处σ x值逐渐增大,因为随着气温的降低U型渠道周围土体的温度也逐渐降低,导致土中未冻水含量逐渐减小,土中更多的水结晶而产生体积膨胀,从而导致σ x不断增大,到2月中旬U型渠道所受冻胀作用基本达到最不利状态,其σ x最大值约为257. 7kPa。 3月中旬后,随着气温不断升高,土中的冰晶开始融化,σ x逐渐变小,土中未冻水含量逐渐增大。G21G22 G23G21G22 G24G21G25G21G26 G27G22G23G24G25G26G27G28G29G2AG21G21G28G29G2AG2BG25G2CG24G25G25G2CG2DG25G2CG26G25G2CG2EG23G2CG25G2BG2CG28G2FG23G23G30G24G25G31G24G30G24G25G25G31G30G24G25G25G24G30G24G25G25G32G30G24G254 防治措施的研究及现场试验根据青藏铁路多年冻土区路基U型排水渠道纵向裂缝发生的机理,其防治措施应从减弱渠道两侧土体的水平冻胀力考虑,见图7。由防渗土工布、 15 cm厚粗颗粒非冻胀性填料和U型混凝土构件组成。根据文献[ 16] ,粗颗粒土的密度取1 800 kg/ m3 ,正、负温条件下导热系数λ分别取5 400、 6 300 J/ hm ℃ ;正、负温条件下比热c分别取1 100、 950 J/ kg ℃ ;弹性模量和泊松比分别取30 M Pa和0. 25。59第7期田亚护等多年冻土区路基U型水沟热力耦合理论分析及现场试验 G21G22G23G24G25G26G21 G22G27G28G29G2AG2BG2CG21G2DG2EG2FG22G27G30G31G32G33G34G35G30G31G32G36G37G38G39G3AG3B根据上文计算条件,在U型排水渠道周围铺设3种不同厚度的粗颗粒填料后,其水平冻胀力变化见图8。G21G22G23G21G21G22G24G21G22G25G21G22G26G27G22G21G21G22G28G29G21G21G2AG2BG2CG2DG2E G27G2E G23G2EG23G2E G2FG29G23G27G21 G2FG29G23G23G21 G2FG29G24G26 G25G26G27G28G23G29G2AG30G2BG2CG2DG2EG2FG30G31G32G33从图8可以看出,在采用粗颗粒非冻胀填料后, U型排水渠道所受冻胀力在水平方向分力σ x明显减小。当粗颗粒非冻胀填料厚度分别为5、 10、 20 cm时,相应的σ x的最大值分别为24. 5、 19. 8、 18. 2 kPa,即随着粗颗粒厚度的增加,σ x的最大值逐渐减小。厚度超过10cm时, U型排水渠道的σ x变化不明显。因此青藏铁路多年冻土区采用该结构形式的U型排水渠道时,非冻胀填料的合理厚度在10 cm左右。为验证该结构形式的U型排水渠道的适应性,2011年7月,在青藏铁路沱沱河附近对该结构形式的U型排水渠道进行了现场试验[ 4] ,其中粗颗粒非冻胀填料厚度采用15 cm。经过4年的现场试验,目前该结构形式的U型排水渠道服役性能良好,无纵向裂缝出现,见图9,证明了其可靠性。G21G21 G22G22G23G24G25G26G27G28G29G2AG2BG2CG2DG2EG23G2FG24G25G26G26G27G25G28 G2EG29G30G24G25G26G2AG27G25G285 结论针对青藏铁路多年冻土区路基坡脚U型排水渠道的冻胀病害,采用热力耦合有限元方法,分析了排水渠道的温度场和所受水平冻胀力的分布特点及冻害产生的原因,并对其防治措施进行了分析及现场验证。 1在寒季, U型排水渠道附近将出现二维冻结区域,其所产生的水平冻胀力可导致其破坏。 2多年冻土区路基坡脚的U型排水渠道所受水平冻胀力沿其埋深呈不均匀形状分布,在埋深1/ 2 2/ 3处水平冻胀力较大而两端较小。 3在U型排水渠道周围换填粗颗粒非冻胀填料可有效防止渠道纵向裂缝的发生,粗颗粒填料的合理厚度在10 cm左右。 4现场试验表明,在U型排水渠道周围换填非冻胀填料,对渠道冻害有较好的防治效果,稳定性显著提高。在下一步的研究中,应考虑渠道基底土体的冻融作用对其竖向变形的影响。参考文献[ 1]陈肖柏,刘建坤,刘鸿绪,等.土的冻结作用与地基[ M ] .北京科学出版社, 2006.[ 2]徐学祖,王家澄,张立新.土体冻胀和盐胀机理[ M ] .北京科学出版社, 1995.[ 3]童长江,管枫年.土的冻胀与建筑物冻害防治[ M ] .北京水利水电出版社, 1985.[ 4]青藏铁路公司.青藏铁路多年冻土区防排水设施技术研究[ R] .西宁青藏铁路公司, 2014.[ 5]王引生,贾海锋.青藏铁路昆仑山隧道排水侧沟模型试验研究[ J] .中国铁道科学, 2006, 27 1 28- 31.W ANG Yin- sheng, JIA Hai- feng. 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