青藏高原多年凍土區(qū)修建高速公路后,由于使用寬幅路基,總吸熱面積和總體積熱容均會(huì)大幅增加,導(dǎo)致融沉效應(yīng)的加劇,嚴(yán)重影響著路面結(jié)構(gòu)的使用壽命。針對(duì)多年凍土區(qū)寬幅路基融沉變形造成的路面結(jié)構(gòu)開(kāi)裂問(wèn)題,本文利用有限元法模擬寬幅路基的溫度場(chǎng)、融沉變形的變化規(guī)律,從路基路面一體化角度分析路基融沉對(duì)路面結(jié)構(gòu)的損傷行為和損傷演化過(guò)程,并從路面材料和結(jié)構(gòu)的角度對(duì)多年凍土地區(qū)高速公路路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。文章主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:(1)通過(guò)分析多年凍土區(qū)寬幅路基的特點(diǎn),提出溫度場(chǎng)分析的基本方程、計(jì)算參數(shù)、邊界條件以及初始條件等,并以有限元理論為基礎(chǔ),利用ABAQUS及其二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)建立了基于第二類、第三類溫度邊界條件下多年凍土區(qū)的溫度場(chǎng)有限元計(jì)算模型,利用該模型對(duì)寬幅路基溫度場(chǎng)進(jìn)行研究,評(píng)價(jià)窄幅路基現(xiàn)有的降溫措施對(duì)寬幅路基的適用性。結(jié)果表明,多年凍土區(qū)高等級(jí)公路的寬幅路基與低等級(jí)公路的窄幅路基相比,具有更快的升溫速度、較差的熱穩(wěn)定性,并且對(duì)下伏天然凍土的熱擾動(dòng)更大。多年凍土區(qū)公路由窄幅路基變?yōu)閷挿坊鶗r(shí),不僅會(huì)導(dǎo)致多年凍土上限下移,還會(huì)造成凍土融化的不均勻性加劇。與其它三類寬幅路基相比,采用了 EPS隔熱層以及碎石層的復(fù)合路基考察點(diǎn)溫度最低,溫度升高幅度最小,熱穩(wěn)定性最好。(2)通過(guò)對(duì)凍土本構(gòu)力學(xué)模型進(jìn)行研究,選取EP本構(gòu)模型來(lái)模擬凍土本構(gòu),并通過(guò)編寫(xiě)UMAT子程序使其在ABAQUS中實(shí)現(xiàn),進(jìn)而以寬幅路基溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ),采用順序耦合法,建立水熱力三場(chǎng)耦合融沉變形有限元計(jì)算模型,分析多年凍土區(qū)寬幅路基融沉變形的變化規(guī)律。結(jié)果顯示,隨著時(shí)間的增加路基中心線處和左側(cè)邊坡位置處融沉變形均呈線性增加,且路基中心線處增加的更快。路基寬度由10m依次增加到18m、26m、34m、42m、50m時(shí),橫向融沉曲線逐漸由二次曲線向“盆狀”曲線過(guò)渡。路基高度每增加1m,路基頂部融沉變形平均增加7.1cm。對(duì)于不同高度路基,隨著路基寬度的增加,差異融沉變形均是先增加后減小,且最大差異沉降對(duì)應(yīng)的寬度均在18m～26m之間�，F(xiàn)有的多年凍土區(qū)路基降溫措施雖然可以提高路基的熱穩(wěn)定性,但是會(huì)增加路基的不均勻融沉變形。因此,有必要研發(fā)新的多年凍土區(qū)路基降溫措施,使其不僅可以降低路基(特別是寬幅路基)的溫度,還能減小溫度分布的不均勻性對(duì)路面結(jié)構(gòu)的不利影響。(3)在路基溫度場(chǎng)有限元模型和融沉變形有限元模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合損傷力學(xué)的基本理論,建立了考慮融沉效應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)疲勞損傷模型,進(jìn)而分析了路基融沉變形以及車輛荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的損傷行為和損傷演化過(guò)程,并研究了融沉效應(yīng)對(duì)瀝青路面各設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響。結(jié)果表明,車輛荷載與融沉變形附加應(yīng)力的耦合作用使路面結(jié)構(gòu)損傷度急劇增加,遠(yuǎn)大于車輛荷載或者融沉變形單獨(dú)作用下路面結(jié)構(gòu)的損傷。對(duì)于多年凍土區(qū)路面結(jié)構(gòu),在早期車輛荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響要大于融沉效應(yīng)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響,占路面結(jié)構(gòu)損傷的主要部分。隨著時(shí)間的增加,融沉效應(yīng)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的損傷影響越來(lái)越大,在后期對(duì)路面結(jié)構(gòu)壽命起到?jīng)Q定性作用,即使沒(méi)有車輛荷載的作用,路面結(jié)構(gòu)在融沉效應(yīng)作用下依然會(huì)發(fā)生破壞。(4)分別從路面材料和結(jié)構(gòu)的角度對(duì)多年凍土區(qū)高等級(jí)公路路面進(jìn)行優(yōu)化,首先對(duì)低導(dǎo)熱面層材料進(jìn)行研究,并對(duì)其路用性能和阻熱效果進(jìn)行評(píng)價(jià),而后在此基礎(chǔ)上提出“反-阻-通”耦合路面路基一體化降溫結(jié)構(gòu),并利用多年凍土區(qū)寬幅路基溫度場(chǎng)有限元模型評(píng)價(jià)對(duì)其對(duì)寬幅路基的降溫效果,然后從路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度,提出高性能路面結(jié)構(gòu)組合,并利用考慮融沉變形的路面結(jié)構(gòu)損傷模型對(duì)不同路面結(jié)構(gòu)壽命進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明,低導(dǎo)熱面層中生蛭石粉的含量不宜超過(guò)12%,加入生蛭石粉后瀝青混合料路用性能變化不大,且均滿足規(guī)范要求。與未添加生蛭石粉的試件相比,加入生蛭石粉的瀝青混合料內(nèi)部溫度均有所降低,因此通過(guò)在瀝青下面層添加生蛭石粉而得到的低導(dǎo)熱面層具有良好的阻熱效果�！胺�-阻-通”耦合路面路基一體化降溫結(jié)構(gòu)由反射涂層、低導(dǎo)熱面層以及通風(fēng)散熱路基三部分組成,并且對(duì)寬幅路基具有良好的處治效果。本文提出的高性能路面結(jié)構(gòu)組合(4cmAC-13C+5cmAC-20C+12cmATB-25+6cmAC-13C+18cm 級(jí)配碎石+20cm水泥穩(wěn)定碎石)對(duì)融沉變形具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力,可應(yīng)用于青藏高速公路的建設(shè)�？傊�,本文提出的有限元模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多年凍土區(qū)高等級(jí)公路寬幅路基溫度場(chǎng)、融沉變形以及路面結(jié)構(gòu)損傷度的預(yù)估,提出的路面優(yōu)化措施可以有效提高路面結(jié)構(gòu)的壽命。本文的研究為多年凍土區(qū)高等級(jí)公路的修筑提供了理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U416.2
【部分圖文】：

第一章緒論邐逡逑第一章緒論逡逑１．１研究背景及意義逡逑高速公路出現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì)三十年代的歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，是專門為汽車快速通行提供逡逑服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施。由于在安全性、速度以及運(yùn)輸能力等方面存在突出優(yōu)勢(shì)，高速公路對(duì)？逡逑促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了極為重要的作用，己經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化發(fā)展水平的重要逡逑標(biāo)志［１］。我國(guó)在高速公路建設(shè)方面取得的成績(jī)尤為突出，截止到２０１６年底，我國(guó)高速公逡逑路總里程己突破１３萬(wàn)公里，位居世界第一。然而，我國(guó)東西部高速公路發(fā)展存在巨大逡逑差距：位于我國(guó)西部的西藏自治區(qū)目前僅有一條省內(nèi)高速公路（拉貢機(jī)場(chǎng)高速），是我逡逑國(guó)唯一沒(méi)有被納入國(guó)家高速公路網(wǎng)的�。▍^(qū)）。由于西藏自治區(qū)尚無(wú)高速公路與其它省區(qū)逡逑連接，故又被稱作高速公路的“拉薩孤島”，嚴(yán)重影響了該地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展［２］。逡逑

邐＾邋＾邋８５°ｌ邋ｆｌ00Ｅ邋９５°Ｅ邋＾邋１0５0Ｅ逡逑圖Ｕ高原地區(qū)典型強(qiáng)紫外線（左）和氋海拔特征（右）逡逑遍逡逑圖１．２惡劣環(huán)境和凍土路基造成的路面酎久性不足破壞逡逑隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，十二？五規(guī)劃己經(jīng)將青藏高速公路的建設(shè)提上日逡逑程。青藏高速公路為Ｇ６京藏高速公路（７條首都放射線之一）的末段，由西寧至拉薩逡逑全長(zhǎng)約１９００多公里，該路的建設(shè)不僅能夠有效緩解本地區(qū)交通壓力，而且對(duì)西藏民族逡逑發(fā)展、全面建設(shè)小康社會(huì)意義重大。然而，建設(shè)青藏高速公路面臨著一系列問(wèn)題。首先，逡逑１逡逑

地區(qū)的生態(tài)平衡，對(duì)環(huán)境造成不利影響。此外，建設(shè)青藏高速公路最大的技術(shù)瓶頸在于逡逑其跨越了邋５００多公里的多年凍土區(qū)，使得在該地區(qū)修建高速公路被視為世界性難題。逡逑圖１．３凍土路基及其引起的典型破壞逡逑凍土由空氣、土顆粒、液態(tài)水以及冰組成，是一種對(duì)溫度變化極為敏感且熱穩(wěn)定性逡逑較差的土類，其物理力學(xué)性質(zhì)（如強(qiáng)度、壓縮系數(shù)、水分?jǐn)U散系數(shù)等）隨著溫度的改變逡逑而產(chǎn)生劇烈的變化［３］。在冬季低溫條件下，凍土中的水分逐漸凍結(jié)，土體強(qiáng)度升高，但逡逑會(huì)導(dǎo)致凍脹變形的產(chǎn)生；夏季高溫條件下，由于冰的融化使得土體強(qiáng)度降低，進(jìn)而產(chǎn)生逡逑熱融沉陷。凍土的凍脹和融沉變形是多年凍土區(qū)路基路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的主要原因，其逡逑中以融沉變形導(dǎo)致的路面結(jié)構(gòu)縱向裂縫最為嚴(yán)重。受全球氣候變暖的影響，青藏高原地逡逑區(qū)多年凍土處于退化過(guò)程，使得該地區(qū)凍土上限逐漸降低、永凍層厚度不斷減小，加劇逡逑了融沉變形的產(chǎn)生和路面結(jié)構(gòu)的破壞［４］。此外

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳建兵;;凍融循環(huán)作用下多年凍土區(qū)公路路基三場(chǎng)耦合分析理論模型[J];公路;2015年10期

2 孟進(jìn)寶;楊永鵬;韓龍武;蔡漢成;;基于模糊理論的青藏鐵路凍土路基安全性評(píng)價(jià)[J];鐵道建筑;2015年08期

3 湯濤;馬濤;黃曉明;廖公云;王樤奇;;青藏高速公路寬幅路基溫度場(chǎng)模擬分析[J];東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2015年04期

4 彭惠;馬巍;穆彥虎;金龍;朱東鵬;;青藏公路普通填土路基長(zhǎng)期變形特征與路基病害調(diào)查分析[J];巖土力學(xué);2015年07期

5 彭惠;馬巍;穆彥虎;金龍;;Impact of permafrost degradation on embankment deformation of Qinghai-Tibet Highway in permafrost regions[J];Journal of Central South University;2015年03期

6 劉戈;汪雙杰;孫紅;袁X;李金平;;透壁式通風(fēng)管 塊石復(fù)合路基降溫效果模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬[J];巖土工程學(xué)報(bào);2015年02期

7 孫全勝;常繼峰;;基于支持向量機(jī)的多年凍土路基融沉變形預(yù)測(cè)[J];公路工程;2014年05期

8 朱東鵬;董元宏;劉戈;彭惠;;寬幅瀝青路面熱效應(yīng)對(duì)其下部土體熱狀態(tài)的影響[J];冰川凍土;2014年04期

9 穆柯;金龍;朱東鵬;陳建兵;袁X;;多年凍土區(qū)路基尺度效應(yīng)對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響[J];冰川凍土;2014年04期

10 張久鵬;袁卓亞;汪雙杰;陳建兵;金龍;;凍土融沉對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響[J];長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2014年04期

相關(guān)會(huì)議論文 前2條

1 汪海年;竇明健;;基于真實(shí)邊界條件的青藏高原多年凍土區(qū)路基溫度場(chǎng)非線性分析[A];可持續(xù)發(fā)展的中國(guó)交通——2005全國(guó)博士生學(xué)術(shù)論壇（交通運(yùn)輸工程學(xué)科）論文集（下冊(cè)）[C];2005年

2 章金釗;姚翠琴;張秀華;武敬民;;鋼纖維水泥混凝土路面在多年凍土地區(qū)的應(yīng)用研究[A];全國(guó)第五屆纖維水泥與纖維混凝土學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];1994年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前6條

1 金光來(lái);基于擴(kuò)展有限元的瀝青路面疲勞開(kāi)裂行為的數(shù)值研究[D];東南大學(xué);2015年

2 張軍輝;軟土地基上高速公路加寬變形特性及差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究[D];東南大學(xué);2006年

3 馬殙;多年凍土地區(qū)瀝青路面材料組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2006年

4 侯曙光;多年凍土路基融沉機(jī)理及路面結(jié)構(gòu)對(duì)策研究[D];東南大學(xué);2006年

5 毛雪松;多年凍土地區(qū)路基水熱力場(chǎng)耦合效應(yīng)研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2004年

6 周志剛;交通荷載下瀝青類路面疲勞損傷開(kāi)裂研究[D];中南大學(xué);2003年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 仲燕飛;西藏農(nóng)村低等級(jí)公路典型簡(jiǎn)易路面結(jié)構(gòu)研究[D];重慶交通大學(xué);2016年

2 王燦;寒區(qū)多年凍土隧道融沉變化規(guī)律及熱害處治措施研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2016年

3 王鐵權(quán);多年凍土區(qū)高等級(jí)公路路基路面結(jié)構(gòu)變形特性研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2016年

4 王銳;高緯度多年凍土地區(qū)路基工后沉降變化規(guī)律研究[D];東北林業(yè)大學(xué);2016年

5 彭水根;拉薩至貢嘎機(jī)場(chǎng)高速公路瀝青路面混合料路用性能研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2013年

6 樊寅;多年凍土地區(qū)水泥混凝土路面破壞模式及結(jié)構(gòu)可靠度研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2012年

7 蔣寧山;青藏高原公路新型路基結(jié)構(gòu)與路面材料研究[D];青海大學(xué);2012年

8 來(lái)勝祥;多年凍土地區(qū)路基熱穩(wěn)定性分析和路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究[D];北京交通大學(xué);2012年

9 王光東;多年凍土地區(qū)鋼絲網(wǎng)加筋半剛性基層性能研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2011年

10 王國(guó)安;多年凍土地區(qū)硅藻土改性瀝青性能研究[D];重慶交通大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2830048