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項目摘要

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(jìn)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(jìn)行計算，對多年后的水熱狀況進(jìn)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(jìn)行了分析，從而確保新型路基結(jié)構(gòu)的正常使用。

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(xiàn)及基礎(chǔ)試驗得到的基本參數(shù)，對冷阻層結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行對不，評價了冷阻層結(jié)構(gòu)的保溫性能。進(jìn)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(jìn)行動回彈模量的變化規(guī)律。進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(hù)維修費用具有重要意義。 2100433B

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(rèn)為起主要作用的是“薄膜水遷移理論”。

物理學(xué)認(rèn)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(fù)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(dá)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(yán)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(jìn)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(dá)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(jìn)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。