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近年来,在多年冻土区修筑其他大型线性工程的迫切需要,以及维护目前已经建成的青藏铁路和青藏公路的正常运营,都需要不断加强对多年冻土的研究。研究路基下部温度场变化对于了解冻土热稳定性具有重要意义,同时也是说明路基下多年冻土稳定性最重要的因素之一。因此,研究冻土热传导等参数有重要的现实意义。本文利用青藏公路多年冻土区普通路基地温资料等,通过建立冻土一维热传导参数估计模型,分别运用模拟退火算法(SA)和粒子群优化算法(PSO)求解估计冻土热参数。然后,建立多年冻土区二维路基温度场的有限元模型,利用优化的热参数结果,对路基下部温度场开展了预测研究。主要的研究成果如下:
(1)热传导参数估计结果表明,运用SA与PSO算法进行优化,目标函数在解空间内收敛性较好,参数优化结果计算出的预测温度值与实测地温对比,其误差在允许的范围内,预测值能真实的反映路基下的地温状态。两种方法的结果互相验证,其参数估计结果较为理想。
(2)利用SA算法求解时,需要对目标函数进行变形,使目标函数绝对值上限与初始温度有相同的数量级;在选择退火时间表和状态发生函数时,应该根据解空间的特点、求解的复杂度进行选择;采用一种自适应权重的PSO算法,随着迭代次数的增加和目标函数值的减小,惯性权值系数w线性减小,克服了PSO算法计算后期易陷入局部极小值的缺陷;SA算法与PSO算法对热传导参数进行优化,其参数估计结果稍有差异,这与新解产生和搜索机制有关。两种方法相比,PSO算法具有较好的收敛性。
(3)目前,路基中心下已出现了直径较小的融化核,最大直径约1.2m,相互之间没有贯通;最大融化深度路基中心下最大,路基中心下多年冻土退化速率大于路肩下,未来的退化速率仍将会增大。预测结果表明,到2023年时,路基下融深继续增大,路基中心下形成大直径的融化核,厚度约3m~4m;路肩下的零度等值线轮廓明显增大,而且开始出现小直径的融化核,但未贯通;2033年时,路基下形成了贯通整个路基的融化核,冻土上限以上的热流向坡脚外扩散,此时路基稳定性极差。
(4)通过对冻土人为上限和天然上限的变化速率分析表明:天然地表下的冻土上限变化较为平稳,年下降速率约为4.77cm/a,而路基中心下的冻土上限下降速率稍大于路肩下的,分别为15.33cm/a和14.67cm/a。
(5)为了保障青藏公路正常运行,必须在路基下没有形成厚度较大、贯通整个路基底部的融化层之前,进行有效的工程措施以降低多年冻土升温,减缓冻土上限下降的速度,保护路基的热稳定性。保护高温冻土区普通路基热稳定性采取措施的时间应该越早越好,鉴于路肩下开始出现直径较小的融化夹层约在2020年前后,采取措施的时间不宜晚于2020年。