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上个世纪以来,随着社会经济发展的需求,各冻土国家在多年冻土地区进行了大规模的工程建设。由于全球气候变暖,加之寒区工程活动打破了多年冻土地区原有的地表能量平衡,导致地温升高,冻土上限的逐年下降,多年冻土持续融化,进而造成建筑物基础的沉降破坏。以我国修建的青藏公路和铁路为例,近年来的监测数据表明:青藏公路路基的融化下沉会引起一系列的工程病害,例如,路面开裂、路面凹陷、道路翻浆等；对青藏铁路的调查研究表明融化沉降也是主要路基病害之一。对于青藏公路,受沥青路面高吸热性的影响,冻土路基每年在长达9个月的时间里(4月初至11月底)一直处于融化下沉状态。尽管投入使用已有半个世纪,其沉降变形仍在持续发展并未有任何衰减的迹象。究竟有哪些因素导致了冻土路基持续融化下沉?冻土路基何时沉降稳定以及冻土路基融化过程中孔隙水呈现怎样的消散规律?这些问题均是寒区道路建设中急需解决的问题。为此,本文从经验方法和理论方法两个方面对冻土的融化沉降规律进行了以下几方面的研究:
(1)通过分析前人预测融沉系数的经验公式方法表明:除了干密度和含水量以外,影响融沉系数的因素还包括土的液塑限和粉粘粒含量等。使用人工神经网络方法将已有实验数据进行训练,得到不同物性参数土样在各种干密度和含水量条件下的融沉系数经验数据库。使用该数据库对预留数据的预测结果表明,人工神经网络方法的预测精度明显高于使用单一因素(干密度或含水量)的经验公式方法。随着训练样本的增多,该经验数据库的预测精度会进一步提高。
(2)对于理论方法,突破小变形的假设,结合基于现时坐标系的大变形固结理论和考虑冻土相变的热传导方程建立适用于复杂边界条件的大变形融化固结理论,并在此基础上开发了基于FLAC3D的数值计算平台。对不同含水量的土样进行分级加载,对其冻结试样进行融化固结试验,得到压缩模量和冻土的融化固结曲线,为数值计算提供参数。数值计算表明:对于低含水量土样,大、小变形理论的预测精度几乎没有差别；而对于高含水量土样,大变形理论的预测精度明显优于小变形。
(3)针对多年冻土地区路基,提出了有效融化固结时间、有效融化区域和剩余固结稳定时间的概念。基于FLAC3D数值平台对青藏公路两个典型路基断面(高含水量和低含水量)进行了融化固结模拟计算。结果表明:在建成初期,路基浅层土的固结度随时间发展在逐渐增加。随着时间的推移,对于融化速率较为缓慢的情况,路基下每年新融化的冻土均能在当年完成固结；对于融化速率较快的路基,新融化的冻土不能在当年完成固结,其固结度随时间在持续的降低,融化峰面孔隙水压力在持续升高。
(4)通过对比分析路基实测数据和数值计算结果表明,青藏沥青公路路基的融化沉降变形主要发生在每年的4月到11月路基处于融化状态的时间段内,而在其他时间段内路基的沉降变形也在持续的发展。这说明路基的总沉降中还包括其他变形源,比如高温冻土的蠕变。
(5)对于路基融化固结变形的预测结果表明:大、小变形理论对高含冰量路基的预测结果间的差异随着预测时间的推移在逐渐扩大；而对于低含水量路基,大、小变形的预测结果则无明显差异。因此对于高含水量路基的融化固结问题宜采用大变形融化固结理论。
本研究表明:使用人工神经网络的方法能够更为全面的考虑土的物性参数对融沉系数的影响,使经验方法获得新的生命力；对于理论方法,本文所建立的大变形融化固结理论在处理高含水量冻土的融化固结问题时较小变形理论更有优越性,在寒区工程建设中能够提供有力的技术保障。