青藏铁路五道梁冻土区工程结构热扰动研究

论文摘要

冻土区铁路的安全运营主要取决于冻土区主要工程即路基、桥梁、涵洞的稳定,这些工程的稳定则由其地基冻土的热稳定性所决定。冻土区路基工程施工对冻土带来的热扰动主要是填土热量消散和基底冻土散热界面改变带来的影响,对于低温冻土区路基基底冻土热稳定性的恢复,随着路堤高度的增加而延长,这种恢复过程对施工工序衔接及路基工程稳定都有一定影响。桥梁涵洞基础施工对冻土的热扰动问题则要比路基工程复杂许多。这不仅仅是施工活动对冻土扰动问题,更主要的是工程基础类型、施工工艺的特殊性对冻土产生的热扰动和热量消散是一个长期性问题,而且这些影响还会直接影响到基础稳定和施工工序的衔接等施工组织设计一系列问题。本文从施工区域冻土地质条件和冻土的热稳定性特征出发,研究分析了低温冻土区填土路基施工季节对路基基底多年冻土的热扰动,根据观测和计算结果,提出低温冻土区高路堤工程保证冻土热稳定性和路基稳定性的最佳施工季节和施工方法。根据青藏铁路建设过程对施工工期要求和五道梁地区施工对全线施工工期的控制和影响问题,作者通过现场混凝土灌注桩基础浇灌以后桩周地温场变化规律试验,混凝土浇灌工程中的水化热问题、混凝土入模温度问题对桩周土体回冻规律影响的数值模拟计算,解决了本地区桥梁基础灌注桩施工工艺和施工组织设计中的关键技术问题,保证了施工工序的顺利衔接和控制性工程施工工期,现场桩基试验和施工后3年的观测证明了桥梁基础的可靠性。本文针对五道梁地区气候和冻土热稳定性特征,还对涵洞基础型式提出了创新性改进。青藏铁路建设初期的暂行规范和过去经验,认为冻土区涵洞基础推广型式是预制拼装式基础,作者根据目前施工机具、施工技术、施工能力的现状和五道梁地区气候特征,提出局部地区采用现浇混凝土整体式基础的型式。通过现场施工验证,计算机数值模拟和施工工序衔接特征,作者认为,只要对开挖涵洞基础土体采用局部遮阳措施,基础底部铺设6cm厚度的保温材料,这种整体式现浇混凝土基础对基底多年冻土的热扰动在1—2各年际冻融循环过程即可消散,不会对涵洞基底多年冻土和基础本身的稳定性造成危害,而且这种基础型式涵洞基底不易渗水,中间不留缝隙,减少了运营过程涵洞基底冻胀的发生,保证了其使用寿命和稳定性。本文紧密结合生产实践进行科学试验和理论计算,对五道梁低温冻土区高路堤工程和桥梁桩基以及涵洞基础施工工艺的研究,建立在对五道梁低温冻土区冻土热稳定性特征及其变化规律深刻认识的基础之上,研究结果对青藏铁路冻土区工程建设具有理论和工程实践意义,主要表现在：混凝土入模温度在融化季节无法保证原来规范规定的较低的入模温度,经过对混凝土水化热对冻土热扰动影响计算和对混凝土添加剂成分的合理配比试验,混凝土入模温度在融化季节最高可以容许到12℃。现浇整体式涵洞基础基底换填和铺设一定厚度保温材料,可以有效的控制对基底多年冻土热扰动,使其尽快恢复稳定的热状态,保证基底稳定。因此,针对不同气候特点和冻土热稳定性特征,采用合适的施工工艺,可以应用现浇整体式涵洞基础。桥梁灌注桩基础施工中,混凝土入模温度和桩周土体回冻是控制性施工工艺,桩周土体回冻标准应该包括两部分概念,一个是适合施工工序衔接的回冻标准,二是达到桩基设计承载力的回冻标准。通过试验确定这两种标准,既能够标准桩基设计承载力,又恰当的利用了桩周土体回冻规律,衔接后续工序,提高施工效率,科学合理的安排施工工期。根据现场试验,施工建设期间和运营初期观测数据和建立在现场实测数据基础上的计算机数值模拟结果,说明根据上述工艺进行的桥梁涵洞基础施工其工程效果和初期工程效果是安全可靠的。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究课题的提出
• 1.1.1 传统认识的深化和新问题的提出
• 1.1.2 基础施工与冻土相互作用的深化认识
• 1.1.3 冻土区高路堤施工方法
• 1.2 课题涉及研究领域的国内外研究概况
• 1.2.1 与冻土区桩基承载力关系密切的介质冻土问题研究
• 1.2.2 影响桩基承载力的冻土力学性质研究
• 1.2.3 冻土热扰动问题认识和研究
• 1.2.4 冻土地区桩基稳定性研究
• 1.2.5 冻土区桩基理论和试验研究
• 1.2.6 温度对桩基承载力的主要影响因素冻结力的影响
• 1.2.7 冻土区涵洞基础研究
• 1.3 研究内容和研究方法
• 1.4 研究思路
• 第二章 五道梁地区环境温度和冻土工程地质条件
• 2.1 冻土生存和工程热扰动恢复的有利气候条件
• 2.1.1 原始气候条件
• 2.1.2 气候条件的变化趋势
• 2.2 区域冻土分布特征
• 2.2.1 冻土平面分布特征
• 2.2.2 冻土垂直剖面分布特征
• 2.2.3 五道梁冻土区高含冰量冻土的分布规律
• 2.3 区域冻结融化能力特征
• 2.4 温度变化对冻土力学性质影响
• 2.5 研究环境温度和冻土条件对本文研究的意义
• 第三章 五道梁冻土区路基工程热影响研究
• 3.1 五道梁冻土区路基工程热影响分析
• 3.1.1 冻土路堤高度影响分析
• 3.1.2 冻土区路堤施工季节影响
• 3.2 路堤施工季节热影响的数值模拟
• 3.2.1 路基工程热影响问题的数学描述
• 3.2.2 问题的定解条件
• 3.2.3 计算参数的选取
• 3.2.4 计算结果分析
• 3.4 小结
• 第四章 五道梁低温冻土区现浇型涵洞基础对冻土热影响研究
• 4.1 现浇混凝土涵洞基础对冻土热影响计算模型
• 4.1.1 带相变瞬态温度场问题的有限元公式
• 4.1.2 计算模型和计算参数
• 4.2 涵洞基底地温场计算结果分析
• 4.2.1 无铺设保温材料时涵洞基底冻土温度分布特征
• 4.2.2 铺设与涵洞基础等宽保温材料的涵洞基底冻土温度分布特征
• 4.2.3 铺设宽于基础5cm保温材料的涵洞基底冻土温度分布特征
• 4.3 现浇涵洞基础地温场试验观测研究
• 4.3.1 试验场地条件
• 4.3.2 现浇涵洞基础施工工艺
• 4.3.3 现浇涵洞基础地温场观测结果分析
• 4.4 现浇混凝土基础涵洞的长期地温场监测
• 4.5 小结
• 第五章 五道梁冻土区桥梁灌注桩施工热影响和桩基承载力形成过程研究
• 5.1 冻土区钻孔灌注桩特殊性及承载力影响因素
• 5.2 低温冻土区桥梁灌注桩回冻过程的数值模拟
• 5.2.1 桩基回冻过程计算模型
• 5.2.2 灌注桩三维传热方程
• 5.2.3 桩周冻土三维传热计算边界条件和初始条件
• 5.2.4 计算方法
• 5.2.5 计算场地基本热物理参数
• 5.2.6 桩基地温场数值模拟结果分析
• 5.3 五道梁低温冻土区桥梁灌注桩的现场试验研究
• 5.3.1 低温冻土区桥梁灌注桩试验场地和测试
• 5.3.2 试桩测试系统布置及试验加载规范
• 5.3.3 桩周土体回冻过程地温测试结果分析
• 5.3.4 试桩加载测试曲线及基桩竖向承载性能分析
• 5.3.5 未回冻桩基础试验小结及施工工序衔接
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 论文创新点
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集