季節(jié)性凍土區(qū),路基在凍融循環(huán)作用下發(fā)生變形,致使路面產(chǎn)生開(kāi)裂、翻漿冒泥等一系列病害,究其原因是凍融過(guò)程中路基土體內(nèi)水分遷移和相變所致�？梢�(jiàn)路基凍融變形受控于土體中溫度和水分的變化規(guī)律,其本質(zhì)是土顆粒、冰和未凍水在土水勢(shì)、壓力等因素的相互作用下引起。對(duì)于道路的凍融破壞,目前已提出多種治理措施,主要包括改善路基土質(zhì)、保溫法、改善路基水分狀況、改進(jìn)路基路面結(jié)構(gòu)、以及整體考慮的綜合措施。封閉式路基就是在綜合考慮導(dǎo)致凍土路基凍融破壞的各種因素的基礎(chǔ)上提出的。其在路基邊坡、頂部和路基填土與天然地基交界處鋪設(shè)保溫隔水材料以起到保溫和改善路基水分狀況的作用。這種路基結(jié)構(gòu)目前還沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用,缺乏相應(yīng)的監(jiān)測(cè)資料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文應(yīng)用COMSOL Multiphysics有限元軟件,根據(jù)已有的水-熱-力耦合模型,模擬研究了季節(jié)性凍土區(qū)普通路基和封閉式隔水路基溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)、位移場(chǎng)的分布演化規(guī)律,對(duì)比評(píng)價(jià)了封閉式隔水路基的水熱穩(wěn)定性以及防凍脹變形的有效性。此外,還對(duì)封閉式路基中保溫隔水材料的合理埋深進(jìn)行了研究。通過(guò)比較保溫隔水材料不同埋置深度時(shí)封閉式路基的水熱穩(wěn)定性和變形特征得出其合理埋設(shè)深度。旨在為季節(jié)性凍土區(qū)推廣使用該種路基提供設(shè)計(jì)依據(jù)和理論指導(dǎo)。研究結(jié)果表明:(1)封閉式路基具有更好的熱穩(wěn)定性,其內(nèi)部土體溫度基本保持不變,僅保溫隔水材料外部土體溫度隨季節(jié)發(fā)生變化,保溫隔水材料阻止了路基土凍結(jié)鋒面的前移,有效改善了路基坡腳處溫度變化對(duì)路基的不利影響。同時(shí)在保溫隔水材料的影響下,封閉式路基凍結(jié)速度較快,解凍速度較慢,且凍結(jié)后低溫區(qū)域較大。(2)凍融時(shí),封閉式路基受水分變化的影響范圍較小,其中被保溫隔水材料封閉的土體內(nèi)水分不發(fā)生變化,只有外部土體在溫度影響下發(fā)生水分重分布。從總體積含水量沿深度的分布情況來(lái)看,路基土凍結(jié)過(guò)程中水分遷移現(xiàn)象明顯,凍融界面以下一定范圍內(nèi)土體的含水量顯著減小,凍結(jié)土體總體積含水量明顯增大,最大可達(dá)26.7%。此外,水分遷移不僅發(fā)生在土體凍結(jié)過(guò)程中,在凍結(jié)前也有水分遷移。(3)凍融過(guò)程中,普通路基和封閉式路基的變形規(guī)律相同。凍結(jié)后,路基坡頂處豎向變形大于路基中心處豎向變形,路基頂面呈凹形。相比而言,封閉式路基表面豎向變形顯著減小,減小量可達(dá)66%。此外,封閉式路基坡腳不發(fā)生凍脹,且其頂面相對(duì)位移也顯著減小,這種變化減弱了由不均勻變形引起的破壞作用,有利于路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。融沉后,路基頂面呈凸形,最大沉降發(fā)生在路肩處,且普通路基的沉降量大于封閉式路基。(4)經(jīng)綜合比較保溫隔水材料埋設(shè)不同的封閉式路基的溫度、含冰量和位移變化情況后得出:封閉式路基中保溫隔水材料的埋深應(yīng)小于0.7m。在這種埋深下,路基的溫度場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定,總含冰量相對(duì)較小,路面變形均勻,凍融循環(huán)對(duì)路基穩(wěn)定性的影響減弱,路基防凍融破壞性能得到有效發(fā)揮。從封閉式路基的水熱穩(wěn)定性和變形規(guī)律來(lái)看,封閉式路基具有較好的水熱穩(wěn)定性和較小的凍脹變形,能顯著改善路基頂面凍融時(shí)的不均勻變形,減弱由不均勻變形引起的破壞作用,是一種較好的防凍融病害的路基結(jié)構(gòu)。
【學(xué)位單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U416.1
【部分圖文】：

圖 1.1 中國(guó)凍土分布圖節(jié)性凍土區(qū)，路基變形經(jīng)凍融作用而無(wú)法趨于穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)多次凍融循越來(lái)越大，最終導(dǎo)致的結(jié)果就是路面開(kāi)裂或道路翻漿。甘肅省深居西節(jié)性凍土區(qū)，其氣候特征為道路病害的發(fā)生提供了有利條件。省內(nèi)公

圖 1.2 凍融病害對(duì)于公路路基的凍融病害，很多學(xué)者針對(duì)其產(chǎn)生的原因提出了多種治理措施，并了深入研究。這些措施主要包括改善路基土質(zhì)、保溫措施、改善路基水分狀況、改基路面結(jié)構(gòu)以及整體考慮的綜合措施[9]。

凍土路基有限元模型

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7 鞏元U

本文編號(hào)：2834806