季节冻土区道路路基冻胀翻浆机理的研究

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随着国民经济的发展,公路交通在人们出行中占有越来越重要的地位,但对于季节性冻土区的公路而言,常常由于路基冻害,譬如路面开裂、融沉车辙、隆胀、翻浆等,而不能发挥其方便、快捷的功能,并且会影响到行车安全,给人民生命财产带来损失。据统计,2004年,长春市共有城区街路面积1187万平方米,就有380万平方米街路出现不同程度的龟裂、翻浆,其中45万平方米严重破损。在此情况下,对翻浆的机理进行较系统的研究和试验,显然是具有重要的经济意义和社会效益的。 本文在前人研究的基础上,从冻胀翻浆现象出发,通过收集各方面的资料,对季节性冻土区道路翻浆进行了较为深入的研究。同时系统的说明了土中水、土质、荷载和聚冰层的位置对冻胀翻浆的影响。而后,由冻结过程中热流方程和水分迁移方程推导出温度场与湿度场的耦合模型,并编写程序求解,证明这个模型是可用于冻胀翻浆的预测,最后,从路基与路面两方面提出冻胀翻浆的治理方法,对实际生产施工提出指导。本文正文共分为四部分 第一部分,介绍了冻胀翻浆研究的意义,国内外研究状况以及本文采用研究方法和主要内容。 第二部分,对冻胀翻浆的原因进行综合研究。第一节首先分析土的冻胀过程,指出,土的冻胀主要是由于水分迁移冻结引起的,然后概述冻胀翻浆的过程及对翻浆造成的危害进行分级,指出冻胀翻浆是季节性冻土区道特有的现象,和降水引起的冒泥有本质的区别。第二节系统的介绍冻胀翻浆的影响因素,从土质、温度、含水量、荷载和聚冰层的位置详细讨论对翻浆的影响,指出,冻胀翻浆是一系列影响因素综合作用的结果,为第三部分问题的提出打下基础。 第三部分,为本文的核心部分,从以上的分析,我们可以知,温度和含水量是引起冻胀翻浆最主要的因素。因此,我们可用热传导方程与冻结区质量迁移方程耦合得到温度场与湿度场的耦合模型。在第一节中,先讨论与温度场和湿度场有关的一些参数,如土水势(Ψ)及其分势,土的导热系数(λ),容积热容重(C),微分水容重(Cw),土的导水系数(Kw)等,及其意义与推导公式。在第二节中,从路基的特征出发,简化初始条件也边界条件,提出,温度场与湿度场都是在一维条件下上下传导。由傅立叶热传导方程q=-λ·gradT,得出未冻结区热传导方程为ρucuT/t=/x(λuT/t),在冻结区,由傅立叶热传导方程与冻结区质量迁移方程(ρi/ρw·Wi/t=-[/x(Kψ/x)]-W/t)联立,得出热传导方程为C(T)T/t=/x[β(T)T/x],这样冻结区与非冻结区热传导方程就取得了一致形式,由于该方程为非线性方程,在求解过程中,根据路基热传导特征,采用有限容积法划分网格进行离散,然后通过计算机编程来解决。通过理论计算数据与试验数据对比,证明这个模型是可用的。进一步将本模型推广至多层路基路面体系中,并编程计算,结果合乎实际路基温度与湿度分布,证明可用于实际工程中的翻浆预测。 第四部分,对本文进行了总结,说明了本模型的特点和不足,以及下一步应进行的工作。最后,由本模型对翻浆治理方法提出建议。
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