多年冻土区涵洞对热棒路基的热稳定性影响分析

论文摘要

路基的稳定性是高原多年冻土地区道路修筑技术研究的核心。土体温度在冻土强度、变形、冻土生消等方面影响多年冻土区路基的稳定性。在评价多年冻土地区路基的稳定性时,尤其要对其热稳定性进行评价。本文对青藏高原北麓河冻土区气候变化特点和趋势作了分析,研究了在气温变化的背景条件下,多年冻土区普通填土路基和热棒路基地温变化特点及发展趋势,进而研究了涵洞对热棒路基热稳定性的影响,为路基的设计和修筑提供了建设性意见。本文重点作了以下几个方面的研究工作:1对路基热稳定性的概念作了阐述,并研究涵洞对于路基热稳定性影响对多年冻土区工程建设的重要意义。2建立了冻土路基温度场的三维数值计算模型,研究了热棒对冻土路基稳定性的影响,并采用有限元方法对普通路基、热棒路基在未来50年内气温升高2.6℃情况下的温度场进行了预报分析和比较,研究中考虑了路基阴阳坡差异,并以现场实测地温数据为依据进行数值模拟。计算结果表明:路基阴阳坡的热差异会导致路基下伏土层温度场不对称,由此可引起路基横向的不均匀变形;在气温升高情况下,未来50年内普通路基将会产生较大融沉变形,不能保证路基长期的稳定性;加热棒后的路基融化深度均小于普通填土路基的融化深度,阴阳坡温度差异也有明显降低,说明加热棒可以抵消气候变暖对路基稳定性的影响。3运用渗流理论和传热学理论,建立了考虑涵前积水下渗情形下,冻土涵洞温度场—渗流场耦合作用的有限元方程,并对暖季涵洞过水情况下,在考虑渗流时普通路基和热棒路基的温度场进行了计算,讨论了渗流对涵洞地基温度场的影响以及涵洞对路基的热稳定性影响。计算结果表明:渗流作用加深了涵洞地基土的季节融化深度,将对涵洞乃至普通路基的热稳定性造成不利影响;对于设置热棒的路基,由于热棒的制冷作用,可以抵消涵洞对路基热稳定的不利影响,有利于保证涵洞及路基的稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本文研究的意义及目的
• 1.2 冻土及冻土工程研究现状和发展趋势
• 1.2.1 热棒技术在冻土工程中的应用研究
• 1.2.2 冻土区涵洞工程研究
• 1.3 主要研究内容
• 2 普通填土路基温度场数值分析
• 2.1 多年冻土条件及水文地质特征
• 2.2 计算模型及参数
• 2.2.1 普通填土路基物理模型
• 2.2.2 加热棒后普通填土路基模型
• 2.2.3 地表实测温度规律
• 2.3 控制微分方程及有限元方法
• 2.4 数值计算方法
• 3 铺设道砟的普通填土路基计算结果及其分析
• 3.1 唐古拉山北麓（年平均气温-5.6℃）低路堤普通填土路基
• 3.1.1 不同年份路基横断面地温场的分布
• 3.1.2 温度场及冻融发展过程分析
• 3.1.3 不同年份左右路肩和路基中心最大融化深度变化
• 4 冻土涵洞渗流场温度场耦合分析
• 4.1 渗流的微分方程
• 4.1.1 运动方程
• 4.1.2 渗流的连续性方程
• 4.1.3 能量方程
• 4.1.4 物性方程
• 4.1.5 渗流微分方程及其定解条件
• 4.2 渗流场与温度场的耦合模型
• 4.2.1 冻土渗流对温度场的影响
• 4.2.2 冻土温度对渗流场的影响
• 4.2.3 冻土温度场渗流场耦合作用的方程
• 5 冻土区涵洞对路基热稳定性影响数值分析
• 5.1 计算参数的确定
• 5.1.1 渗透系数的确定
• 5.1.2 渗流速度的确定
• 5.1.3 渗流自由面的求解
• 5.2 涵洞对普通填土路基热稳定性影响
• 5.3 涵洞对铺设热棒的填土路基热稳定性影响
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间研究成果