季節(jié)凍土區(qū)道路設(shè)置冷阻層治理路基凍害機理研究

本項目針對季凍區(qū)路基凍害問題，提出設(shè)置冷阻層結(jié)構(gòu)來解決凍害問題的思路。從數(shù)值計算、試驗研究、理論研究和實體工程應(yīng)用等方面對冷阻層結(jié)構(gòu)展開研究。數(shù)值計算方面，根據(jù)收集到的文獻及基礎(chǔ)試驗得到的基本參數(shù)，對冷阻層結(jié)構(gòu)進行了理論計算和設(shè)計，并結(jié)合實際應(yīng)用背景，給出了結(jié)構(gòu)層最優(yōu)設(shè)計參數(shù)；試驗研究方面，開展了橡膠顆粒改良粉煤灰土的配合比試驗研究，得到了改良土的最優(yōu)配合比。進行了冷阻層室外模型試驗，對設(shè)置和不設(shè)置冷阻層結(jié)構(gòu)路基結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷一次凍結(jié)過程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布進行對不，評價了冷阻層結(jié)構(gòu)的保溫性能。進行了凍融循環(huán)條件下的動力響應(yīng)試驗研究，分析了不同加載頻率、不同載重、不同凍融循環(huán)次數(shù)下橡膠顆粒改良粉煤灰土和粉質(zhì)黏土的動力響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明橡膠顆粒改良粉煤灰土適合作為季凍區(qū)路基填料。開展了季凍區(qū)改良土凍融循環(huán)下動回彈模量測定試驗，獲得了改良土隨凍融循環(huán)進行動回彈模量的變化規(guī)律。進行了季凍區(qū)改良土基質(zhì)吸力測量試驗，得到了改良土凍融循環(huán)條件下土水特征曲線，為后期研究的開展做足準(zhǔn)備；理論研究方面，提出了季凍區(qū)非飽和土路基的水-熱耦合模型并應(yīng)用試驗場地的試驗數(shù)據(jù)對數(shù)學(xué)模型進行了驗證，證明了本研究數(shù)學(xué)模型的可靠性，模型考慮了非飽和土的體積含水率，體積含冰率，滲透性，導(dǎo)熱性，冰水相變等特性，完全適用于季凍區(qū)非飽和土的路基的水熱耦合研究；實體工程應(yīng)用方面，根據(jù)課題組研究成果，保持了課題組冷阻層研究的主體，結(jié)合廢棄資源再利用理念，因地制宜，提出了XPS板 油頁巖廢渣改良粉煤灰土的冷阻層結(jié)構(gòu)，并依托工程鋪筑了試驗路，埋設(shè)相關(guān)傳感器，對研究成果的實際應(yīng)用效果進行后續(xù)跟蹤檢測評價。本項目研究按照研究計劃總體開展順利，研究成果能夠很大程度上解決季凍區(qū)路基凍害問題，對提高我國季凍區(qū)道路服務(wù)水平，節(jié)約道路養(yǎng)護維修費用具有重要意義。 2100433B

季凍區(qū)路基凍害是影響道路安全運營的常見病害，主要由路基土體內(nèi)部因素和環(huán)境外部因素共同作用導(dǎo)致。本課題在已有研究基礎(chǔ)上，提出設(shè)置路基冷阻層的新型路基形式，旨在減少路基上部凍結(jié)指數(shù)、減慢凍結(jié)速率、減小凍結(jié)深度，改善甚至是避免季凍區(qū)路基下部凍脹敏感土的凍結(jié)。本項目采用修正Berggren方程推導(dǎo)道路多層結(jié)構(gòu)的凍結(jié)指數(shù)及冷阻層理論厚度，通過室外凍脹實驗對新型路基結(jié)構(gòu)的保溫性、溫度場和水分場特性進行理論分析，并以二維水、熱輸移控制方程和有限元法對水熱耦合下路基溫度場、水分場進行計算，對多年后的水熱狀況進行預(yù)測。同時采用自制的凍融循環(huán)試驗機對冷阻層的耐久性作出評價。對于冷阻層的整體穩(wěn)定性，采用彈性層狀理論，借助數(shù)值分析方法，在最佳厚度的前提下，對半剛性基層在荷載作用下橫豎向變形，底部拉應(yīng)力進行了分析，從而確保新型路基結(jié)構(gòu)的正常使用。

土凍結(jié)時在一定條件下會發(fā)生下部土體的水分向凍結(jié)峰面轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，即水分遷移，并析出冰層造成凍脹。解釋水分遷移的學(xué)說很多，目前普遍認為起主要作用的是“薄膜水遷移理論”。

物理學(xué)認為，由于土顆粒的電分子引力作用及水分子的雙極構(gòu)造，當(dāng)水和土顆粒接觸時，會在土顆粒表面形成一薄膜水層，見圖《路基凍害機理》所示。

最里層的水分子吸附力最大，為強結(jié)合水，水分子不能自由活動也不凍結(jié)，而外圍的水層為弱結(jié)合水，可以在水分子力作用下運動和在負溫下凍結(jié)。一般在土中，由于土顆粒間距離很小，甚至互相接觸，可以形成公共水化膜，這時它們的弱結(jié)合水層便會在土顆粒和水分子引力作用下達到相對的平衡狀態(tài)。當(dāng)上部土體發(fā)生凍結(jié)時，由于形成冰晶，就從靠近凍結(jié)峰面的土顆粒外圍的水化膜中奪走一部分水，使水膜變薄，使公共水化膜產(chǎn)生不平衡。這時，減薄了的水膜就會從鄰近處抽吸水分來補充，以恢復(fù)平衡。所以在凍結(jié)過程中，增長著的冰晶不斷從臨近的水化膜中奪走水分，而相鄰的厚膜中的水分子又不斷地向薄膜補充，這樣，不斷地依次傳遞就形成了凍結(jié)時下部土體的水分向凍結(jié)峰面的遷移。

溫度分布情況復(fù)雜和結(jié)構(gòu)迥異是深季節(jié)性凍土區(qū)路橋（涵）過渡段凍害問題突出的重要原因，由凍脹、融沉引起的過渡段病害問題嚴重影響和制約著凍土區(qū)高速、重載鐵路的發(fā)展。依托已有的路橋（涵）過渡段監(jiān)測斷面，采用現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)試驗與理論分析相結(jié)合的方法，分析深季節(jié)凍土區(qū)路橋（涵）過渡段的溫度分布情況，重點研究過渡段差異性凍脹、融沉變形機理，探討制約路橋（涵）過渡段凍脹融沉變形的關(guān)鍵因素，提出路基填料凍脹、融沉和凍脹力分級標(biāo)準(zhǔn)，研究土體凍結(jié)融化過程中的水分遷移規(guī)律和凍結(jié)緣的形成過程。結(jié)合室內(nèi)模型試驗，建立深季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基多源融合的凍脹融沉計算模型，并預(yù)測其長期變形。在上述研究成果的基礎(chǔ)上，提出適用于深季節(jié)性凍土區(qū)路橋（涵）過渡段差異性凍脹、融沉控制方法。研究結(jié)果對提高深季節(jié)凍土區(qū)路基工程設(shè)計與施工質(zhì)量、路基凍害防治具有重要意義，同時也進一步完善了凍土力學(xué)學(xué)科體系和凍土試驗技術(shù)。

通過在物體表面貼上一層柔性覆層來抑制湍流達到減阻效果是一種簡單而有潛力的湍流減阻被動控制方法。本項目利用直接數(shù)值模擬的手段，對柔性覆層湍流邊界層特性及減阻機理進行研究。（1）柔性覆層湍流邊界層的直接數(shù)值模擬方法研究：采用基于動態(tài)曲線坐標(biāo)方法處理任意變形的流體邊界，結(jié)合輔助計算法和比例縮放法給出湍流邊界層的入口條件，柔性覆層計算模型包括各向同性和各向異性模型；（2）柔性覆層湍流邊界層的統(tǒng)計特性，近壁相干結(jié)構(gòu)動力學(xué)過程及減阻機理研究：采用流場可視化和條件平均的方法，研究柔性覆層對近壁湍流相干結(jié)構(gòu)及湍流自維持機制的影響，通過雷諾應(yīng)力輸運方程中各項的平衡關(guān)系來研究湍流減阻的機理；（3）柔性覆層關(guān)鍵材料參數(shù)研究：結(jié)合單諧波分析，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果分析關(guān)鍵材料參數(shù)對減阻效果的影響，并在均勻材料的研究基礎(chǔ)上設(shè)計非均勻材料結(jié)構(gòu)以求改善減阻效果，為實驗研究及實際應(yīng)用提供參考。