【博士】青藏公路多年冻土路基病害及其防治研究【2007】

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内容简介

　　学科专业：道路与铁道工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：长安大学　　学位年度： 2007年　　论文以青藏公路为依托，以冻土路基病害为切入点，通过对冻土工程性质影响因素的分析，进行公路工程冻土分类研究；通过路基病害类型、影响因素、分布规律的研究，揭示路基病害与冻土环境的关系；通过冻土存在的环境条件及其与路基病害分布关系的分析，确定冻土的稳定性；根据多年冻土分布规律和道路工程特点，确定冻土路基设计原则；利用有限单元分析方法，丌展路基病害形成机理和病害防治工程效果及适用性研究。　　本文认为，冻土工程分类不仅要考虑到冻土的变形性质(冰含量)，也应该考虑到冻土的稳定性质，必须将冻土的温度或环境的年均气温、冻土上限深度考虑在内，充分考虑冻土的热稳定性才能准确反映冻土的工程性质和状态。　　研究表明，在全球气候变暖的背景下，青藏公路沿线多年冻土呈现明显退化趋势。受沥青路面强烈吸热影响，沿线路基下多年冻土上限明显下降，冻土上限附近土层融化排水国结是导致路基沉陷发生的根本原因。至20世纪90年代，沿线路基下已大范围出现人为上限大幅下降，导致路基下多年冻土形成融化盘，融化盘汇集浅层地下水会加剧冻土融化，进一步影响路基稳定。　　根据冻土温度和年均气温、上限埋深并结合路基病害发育强度，将青藏公路沿线多年冻土分为稳定、亚稳定和不稳定三种类型，其中亚稳定型冻土内路基病害发育广泛、规模较大，不稳定型病害规模巨大，但数量较少。受气候、地质条件、地形地貌、地表水文条件区域性变化的制约，多年冻土的热稳定性也呈现区域性变化规律，即公路沿线多年冻土稳定性具有区段性变化特点。根据这一原理，本文对青藏公路沿线多年冻土进行了稳定性区段划分，划分结果可为制定区段路基设计原则提供依据。　　青藏公路多年冻土路段路基病害主要有不均匀沉陷和纵向裂缝两大类。路基沉陷与冻土融化有关，纵向裂缝与季节活动层冻融有关，两类病害的发生、分布受冻土稳定程度、路基高度、路基坡向及地表排水条件影响明显。纵向裂缝根据形态、变形特征及分布位置可以分为路面边缘带沉陷性弧状裂缝、路肩沉陷性纵向裂缝、路面中间带张性纵向裂缝三大类，其中路面中间带张性纵向裂缝进一步可细分为单缝张裂式和双缝堑式，对公路破坏和行车安全影响最大的是路面边缘带沉陷性弧状裂缝和路面中问带张性纵向裂缝。　　根据多年冻土区域分布及变化的规律结合道路工程穿越范围广大的特点，多年冻土路基设计原则按范围和深度分为区段设计原则和场地设计原则，区段设计原则用于初步设计阶段的较大范围路段设计，场地设计原则适用于施工图设计阶段的重要结构物或重点路段路基设计。区段设计原则根据地质条件、气温和地温状况、冻土天然及人为上限埋深确定，场地设计原则根据工程类型、冻土含冰类型、地基土类、人为上限深度确定。　　路基温度场有限元数值分析表明，冻土温度(稳定状况)、路基高度、路线走向是路基下冻土人为上限形状和位置的重要影响因素，三者对路基融沉、纵向裂缝的形成与分布共同起着重要影响。通过路基温度场与路基病害分布分析，本文认为，多年冻土地区路基临界高度应包括下临界高度和上临界高度，下临界高度以控制路基融沉为目的，上临界高度则以控制纵向裂缝为目标，并提出了青藏公路不同稳定类型冻土区段的路基上、下临界高度。　　分析表明，隔热板、通风管、块石路基都具有保护路基下多年冻土、降低路基高度和防治路基融沉与纵向裂缝的作用。隔热板路基暖季隔热效果明显，冷季则具有阻止路基散热的副作用，总体来看仍是正面作用大于副作用。通风管和块石路基具有冷季散热(吸收“冷能”)，暖季吸热的作用，但其冷季散热功能远远大于暖季吸热。论文对隔热板、通风管、块石层的工程设计相关问题进行了分析，阐述了其适用条件。　　

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