【博士】多年冻土路基融沉机理及路面结构对策研究【2005】

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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：东南大学　　学位年度： 2005年　　随着多年冻土地区公路建设的发展，破坏了冻土的热平衡状态，使得路基路面修筑过程中出现的工程问题及使用期的早期破坏现象越发明显，这些问题的形成与发展促使对多年冻土地区路基融沉机理、路基融沉预测、路面结构分析和路基路面病害对策等方面进行研究。本文在对多年冻土地区路基路面典犁破坏调查的基础上，就上述问题进行深入研究和探索。　　在多年冻土地区，由于全球气候变暖和道路结构物的影响，使原有路基热平衡状态被破坏，为全面研究路基融沉失稳过程，本文根据混合物基本理论，将冻土看作由土颗粒、冰和流体(未冻水和气体)组成的多孔介质，在基本假设条件下，根据确定性公理、局部作用公理和等存性公理，结合质量守恒定律、动最守恒定律、能量守恒定律、熵不等式和体积份数条件推导了冻土融沉过程的混合物理论，为冻土融沉机理分析提供了理论基础。　　多年冻土路基融沉失稳过程与环境要素、路基路面结构及材料热力学参数等有关，本文通过进行土体室内冻融试验，测试了土体在整个冻融过程的温度场分布和土体变形曲线。然后，选择和试验土样几何尺寸、土体热物性参数、边界条件相同的计算模型进行温度场数值模拟，计算结果和试验结果吻合。　　冻土融沉是由于冻土内部热积累，降低了冻土的力学性能，导致土体融沉变形，本文应用有限元方法进行冻土融沉数值模拟，采用和温度场计算相同的模型，将温度场计算结果作为场变量，输入到模型位移计算中，模型材料的物理、力学参数定义为温度场的函数，利用土体固结理论进行模型位移的数值计算，比较试验和计算结果，验证了数值计算力法的可行可信。　　以青藏公路路基实测变形资料为依据，研究冻土路基变形的内在规律。利用相空问重构理论，将实测时间序列构造为多维空间，在构造的多维空间中，定义自变量、因变量和样本数，采用偏最小二乘回归方法进行数据回归拟合，用特定指标判断拟合精度，考察拟合结果，建立了多年冻土地区路基变形预测模型。　　由于特殊的地理及气候条件，多年冻土地区沥青路面病害较内地更为严重和复杂，这些病害是路基不均匀沉降及在冻融条件下路面材料物理、力学性能降低的外部表现，本文应用ABAQUS软件对不同融沉深度下路面变形及应力进行有限元数值模拟，通过分析冻土路基融沉条件下的路面结构响应，提出了适合于多年冻土地区的路面结构型式。针对现场调查的路基路面病害特征，提出了病害防治对策。　　

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