深季節(jié)凍土區(qū)路橋過渡段凍融變形機理與控制研究

路橋過渡段差異凍融變形問題是制約凍土區(qū)高速鐵路快速發(fā)展的關(guān)鍵和亟待解決的重要科學(xué)問題。依托哈齊高速鐵路路橋過渡段的設(shè)計與施工，深入分析了凍土區(qū)路橋過渡段的溫度場、變形場分布特征，初步得到了多因素耦合作用數(shù)值計算模型，探討和分析了適用于凍土區(qū)高速鐵路路橋過渡段的填料類型、結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合工程實際提出了凍土區(qū)高速鐵路路橋過渡段差異凍融變形控制措施。本項目主要取得了以下幾點成果：①結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和室內(nèi)試驗，研制并開發(fā)了一系列與項目密切相關(guān)的測試試驗裝置，如高程基準樁、大直徑試樣凍脹測試裝置和凍拔性能測試裝置等；②分析監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)深度不僅與環(huán)境溫度有關(guān)，亦與路基填料的性質(zhì)密切相關(guān)；③路橋過渡段與標準路基相比，具有凍深更大、陰陽坡現(xiàn)象更明顯的特點，且溫度邊界復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)迥異是凍土區(qū)路橋過渡段凍害問題突出的關(guān)鍵控制因素；④基于數(shù)值模擬和理論分析，復(fù)合保溫措施、以及適當(dāng)增加橋臺構(gòu)筑物與路基填料接觸面的傾斜角度可以有效地抑制路橋過渡段凍害發(fā)生發(fā)展；⑤采用凍脹率、抗壓強度和壓實度作為抗凍脹填料的控制指標，提出過渡段粗粒土填料的合理細粒含量為5%，并將經(jīng)歷6次凍融后力學(xué)指標作為工程設(shè)計參考值；⑥綜合考慮凍脹率、抗壓強度和滲透系數(shù)，對于非滲水性要求的路基，基床填料益選用細粒土含量3%、水泥摻量3%的級配碎石，而對于有滲水性要求的路基，基床填料益選用去除0.5mm以下顆粒、水泥摻量3%~5%的級配碎石；⑦水分遷移是路基填料凍脹發(fā)生發(fā)展的原驅(qū)動力，外界水源補給條件下的凍脹量是封閉條件下的1.3倍，因此做好路基防排水可有效抑制路基凍融變形量。這些研究結(jié)果對有利于進一步提升我國寒區(qū)高速鐵路路基凍脹防控理論水平，為凍土區(qū)路基工程設(shè)計與施工、養(yǎng)護與維修提供必要的技術(shù)指導(dǎo)，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)。 2100433B

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準，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)。

氣象部門提供的標準凍深是在平地上、土為天然含水量，且不存在地下水影響的條件下的凍深值，而渠道工程中各部位的凍深是不相同的，具體應(yīng)用的設(shè)計凍深必須將標準凍深進行修正。設(shè)計凍深是指對渠道各部位凍深設(shè)計的影響因素有年際頻率、地下水埋深、表面接受的日照及遮蔭程度、表面積雪和基土土質(zhì)及含水量等。凍深計算精度水平下，不計土質(zhì)對凍深的影響，可滿足應(yīng)用。土中含水量對凍深的影響遠不及地下水對凍深的影響大；為安計，也不考慮積雪對凍深的影響。凍脹量是進行抗凍脹設(shè)計的最重要的指標之一，國內(nèi)外的一些理論計算公式難以滿足工程實際需要，不僅計算出的凍脹量誤差較大，而且對于工程技術(shù)人員來說，公式中有關(guān)參數(shù)的確定就是一個難題。因此，凍脹量計算一般采用經(jīng)驗公式。

標準凍深是指有條件時，盡量采用工程所在地氣象臺（站）的多年平均凍深值 ，要求資料系列不短于10年，標準凍深規(guī)范規(guī)定為地表無積雪和草皮等覆蓋條件下多年實測最大凍深的平均值。當(dāng)凍深資料缺乏時，要借助于經(jīng)驗公式確定標準凍深。由于各地基本上沒有無覆蓋條件下裸露場地多年實測的凍深資料，因此，規(guī)范中凍深圖和計算公式的標準凍深數(shù)據(jù)為各地氣象臺多年實測最大凍深資料、并參考了有關(guān)勘察設(shè)計部門掌握的實測資料加以修正的數(shù)據(jù)。在水利工程抗凍脹設(shè)計中， 使用的《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》規(guī)定標準凍深計算公式為：

式中，

季凍土的水分遷移機理研究一直為廣大學(xué)者所關(guān)注，并已經(jīng)取得了很大的成績，但由于研究條件、測試儀器等原因，使研究有一定的難度，如凍土熱融及其水分遷移問題有待進一步完善與發(fā)展，尤其是從不同凍融狀態(tài)下微觀結(jié)構(gòu)的角度，評價其機理，目前還沒有見到有突破性進展。因此，本項目針對道路的凍脹問題，選擇東北地區(qū)分布的不同類型的黃土狀土進行研究，具有一定理論與實際意義。.本項目的研究結(jié)合不同等級道路的不同土體進行實際現(xiàn)場凍結(jié)深度、地溫、含水率變化等數(shù)據(jù)的監(jiān)測，通過對凍土在不同凍結(jié)、融化狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)特征的定量指標的提取，考慮物質(zhì)組成對凍結(jié)狀態(tài)的影響，分析土體凍融過程中水熱遷移，在物理化學(xué)、圖像處理、力學(xué)的基礎(chǔ)上，揭示凍土中水分遷移的機理，建立反映土的微觀結(jié)構(gòu)即水熱鹽及結(jié)構(gòu)參數(shù)的凍融耦合模型，從機制學(xué)角度出發(fā)，考慮凍土在不同條件下的地基處理方法，為季凍區(qū)地基處理處理提供一個新的方法。 2100433B