多年冻土区普通路基融沉变形特性与预测模型研究

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多年冻土区道路主要病害是融沉。在工程活动及气候变暖的影响下,多年冻土上限逐年下降,冻土持续融化,使道路产生沉降破坏,如路面开裂、凹陷,边坡纵向裂缝等。青藏铁路采取了主动冷却路基、降低多年冻土温度的工程措施,然而仍有大量路段采用无任何工程措施的普通路基,甚至在有些高温高含冰量路段也有普通路基的存在。普通路基单纯依靠增加热阻抵御外界热量的进入,该措施是一种消极保温措施,只能延缓冻土退化,但改变不了退化的趋势。路基下部冻土会不可避免的融化,特别是在高温高含冰量冻土极不稳定区,冻土退化更加严重,路基产生较大变形,同时,对青藏铁路的调查研究也表明,融沉是路基主要病害之一。   基于U.L描述下的大变形固结理论、考虑相变作用的温度场及连接方程得到大变形融化固结理论,通过数值平行试验,研究不同路基高度、年平均地温、含冰量条件下路基温度场与融沉变形特性,得到统一实用的融沉变形预测模型。本文主要研究内容与结论如下。   (1)合理的路基高度可以抬高冻土上限,路堤越高,冻土上限抬升量越大。在冻土上限抬升的过程,路基下部冻土有较大幅度的升温。路堤越高、年平均地温越低、含冰量越低,升温幅度越大。普通路基冻土上限的抬升是以牺牲原上限以下冻土的冷储量为代价。   (2)融深在路基中心处最大,地表处最小,冻土上限沿路基横向呈盆形分布。随时间增长,路基下部融深与地表处的差值越来越大,同时,融化盘向原地表处扩展,融化盘的深度和宽度越来越大,与之对应是路基下部形成的沉降盆的深度和宽度也越来越大。在同一年份,路基高度越小,年平均地温越高,含冰量越小,融化盆的面积越大;而路基高度越大,年平均地温越高,沉降盆的面积越大,在此过程中,地表向路基方向倾斜。   (3)路基中心冻土上限变化曲线呈三次多项式,曲线分为三个阶段:抬升阶段,缓慢下降阶段,持续下降阶段。冻土上限变化曲线存在极值点,至极值点以后,冻土上限下降,出现融沉变形。各种路基的冻土上限变化曲线的极值点出现时间不同,路基高度越大,年平均地温越低,含冰量越大,极值点出现时间越晚。进入缓慢下降阶段后,冻土上限随路基高度的减小呈线性增大,不同年份的变化曲线大致平行;随年平均地温的升高呈线性增大,且不同年份的变化曲线也大致平行;随含冰量的降低而增大,低含冰量的冻土上限下降速率随时间逐渐增大,而高含冰量的冻土上限下降速率逐渐减小。   (4)路基中心变形曲线也分为三个阶段:缓慢变形阶段、过渡阶段、显著变形阶段。显著变形阶段是冻土上限变化曲线进入持续下降阶段,原多年冻土的融沉变形。进入显著变形阶段后,路基变形随路基高度增加呈线性增长,不同年份的变形曲线呈扇形发散;路基变形随年平均地温的升高呈线性增加,不同年份的变形曲线相互平行;含冰量20%~35%时,变形随含冰量的增加而增加,含冰量35%~50%,变形随含冰量增加而减小,路基变形与含冰量的关系曲线呈抛物线。路基变形随不同影响因素的变化规律各异。   (5)为得到统一实用的融沉变形预测模型,定义沉降比δ=100s/H及进行沉降比标准化;以原天然上限为基准上限定义融深增量△h。对不同路基高度、年平均地温、含冰量的沉降比与融深增量之间关系进行研究发现,沉降比随融深增量的增加线性增大,各个曲线斜率近似相等,曲线基本重合。沉降比是融深增量的单值线性函数,对上述大量数据进行回归分析后得到沉降比函数δ=δ(△h),通过增加分析样本,提高分析精度。   (6)融沉变形预测模型由沉降比函数与融深增量图表两部分组成。不同路基高度的融深增量随时间变化曲线近似平行,融深增量随路基高度增加呈线性下降;不同年平均地温的融深增量变化曲线相互平行,融深增量随年平均地温升高呈线性增加,随含冰量的降低呈线性增加。不同路基高度、年平均地温、含冰量的融深增量曲线起始时间不同,曲线变化规律也不尽相同。将不同条件的融深增量曲线形成融深增量图表,通过查询可以得到不同年份不同影响因素融深增量,结合沉降比函数,可以方便快速求得路基变形值。
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