多年冻土路基融沉机理及路面结构对策研究

论文摘要

随着多年冻土地区公路建设的发展,破坏了冻土的热平衡状态,使得路基路面修筑过程中出现的工程问题及使用期的早期破坏现象越发明显,这些问题的形成与发展促使对多年冻土地区路基融沉机理、路基融沉预测、路面结构分析和路基路面病害对策等方面进行研究。本文在对多年冻土地区路基路面典型破坏调查的基础上,就上述问题进行深入研究和探索。在多年冻土地区,由于全球气候变暖和道路结构物的影响,使原有路基热平衡状态被破坏,为全面研究路基融沉失稳过程,本文根据混合物基本理论,将冻土看作由土颗粒、冰和流体(未冻水和气体)组成的多孔介质,在基本假设条件下,根据确定性公理、局部作用公理和等存性公理,结合质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、熵不等式和体积份数条件推导了冻土融沉过程的混合物理论,为冻土融沉机理分析提供了理论基础。多年冻土路基融沉失稳过程与环境要素、路基路面结构及材料热力学参数等有关,本文通过进行土体室内冻融试验,测试了土体在整个冻融过程的温度场分布和土体变形曲线。然后,选择和试验土样几何尺寸、土体热物性参数、边界条件相同的计算模型进行温度场数值模拟,计算结果和试验结果吻合。冻土融沉是由于冻土内部热积累,降低了冻土的力学性能,导致土体融沉变形,本文应用有限元方法进行冻土融沉数值模拟,采用和温度场计算相同的模型,将温度场计算结果作为场变量,输入到模型位移计算中,模型材料的物理、力学参数定义为温度场的函数,利用土体固结理论进行模型位移的数值计算,比较试验和计算结果,验证了数值计算方法的可行可信。以青藏公路路基实测变形资料为依据,研究冻土路基变形的内在规律。利用相空间重构理论,将实测时间序列构造为多维空间,在构造的多维空间中,定义自变量、因变量和样本数,采用偏最小二乘回归方法进行数据回归拟合,用特定指标判断拟合精度,考察拟合结果,建立了多年冻土地区路基变形预测模型。由于特殊的地理及气候条件,多年冻土地区沥青路面病害较内地更为严重和复杂,这些病害是路基不均匀沉降及在冻融条件下路面材料物理、力学性能降低的外部表现,本文应用ABAQUS软件对不同融沉深度下路面变形及应力进行有限元数值模拟,通过分析冻土路基融沉条件下的路面结构响应,提出了适合于多年冻土地区的路面结构型式。针对现场调查的路基路面病害特征,提出了病害防治对策。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 多年冻土分布特征及研究意义
• 1.2 冻土国内外研究现状
• 1.2.1 冻土工程研究进展
• 1.2.2 冻土力学研究进展
• 1.2.3 冻土冻涨融沉的研究现状
• 1.3 混合物理论研究现状及进展
• 1.3.1 混合物理论发展现状
• 1.3.2 多孔介质混合物理论的发展
• 1.3.3 混合物理论的应用
• 1.4 多孔介质混合物基本理论
• 1.4.1 混合物运动学
• 1.4.2 守恒方程和熵不等式
• 1.4.3 混合物的本构关系
• 1.5 主要研究内容及技术路线
• 第2章 多年冻土区路基路面使用性能调查与分析
• 2.1 多年冻土上限退化趋势
• 2.2 路基主要病害及分析
• 2.2.1 路基不均匀沉降
• 2.2.2 路基纵向开裂
• 2.3 路面主要病害及分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 冻土融沉过程的混合物理论
• 3.1 冻土混合物的基本假设
• 3.2 混合物理论基本方程及不等式
• 3.3 本构方程
• 3.4 热力学限制的推导
• 3.5 考虑体积分数约束的热力学限制
• 3.6 融沉过程的相变考虑
• 3.7 唯象关系
• 3.8 冻土融沉过程的固结方程
• 3.9 本章小结
• 第4章 冻土融沉试验及数值模拟分析
• 4.1 冻土融沉试验仪器与方法
• 4.1.1 试验装置
• 4.1.2 试样制作及试验方法
• 4.2 试验参数及边界条件
• 4.3 试验结果与分析
• 4.3.1 冻融过程土体变形特征
• 4.3.2 冻融过程土体干容重变化特征
• 4.3.3 冻融过程土体冻结速率与融化速率变化特征
• 4.3.4 冻融过程土体含水量变化
• 4.4 温度场数值模拟
• 4.4.1 温度场控制微分方程
• 4.4.2 温度场计算的有限元方程
• 4.4.3 温度场计算模型及材料参数
• 4.4.4 基于ABAQUS 软件的温度场计算实施
• 4.4.5 温度场数值模拟结果与分析
• 4.5 冻土融沉数值模拟
• 4.5.1 冻土融沉数值计算模型
• 4.5.2 冻土融沉过程强度变化
• 4.5.3 冻土融沉固结原理
• 4.5.4 土体冻融数值模拟方法
• 4.5.5 土体冻融数值模拟结果与分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于偏最小二乘法的冻土路基变形预测
• 5.1 冻土路基变形时间序列的混沌特征
• 5.1.1 混沌时间序列的相空间重构
• 5.1.2 Lyapunov 指数及其含义
• 5.1.3 最大Lyapunov 指数的计算
• 5.2 偏最小二乘回归方法概述
• 5.3 偏最小二乘回归分析的原理
• 5.3.1 偏最小二乘回归分析方法的算法
• 5.3.2 偏最小二乘回归的建模步骤
• 5.3.3 交叉有效性分析
• 5.4 偏最小二乘回归的辅助分析技术
• 5.4.1 变量投影重要性分析
• 5.4.2 X 和y 之间相关关系分析
• 5.4.3 特异样本的判别
• 5.5 基于偏最小二乘的冻土路基变形混沌时间序列预测
• 5.5.1 冻土路基变形实测数据相空间重构
• 5.5.2 冻土路基变形的偏最小二乘回归
• 5.5.3 冻土路基变形的偏最小二乘预测
• 5.6 本章小结
• 第6章 多年冻土区路面结构分析及路面病害对策
• 6.1 多年冻土路基上路面结构响应分析
• 6.1.1 计算模型
• 6.1.2 荷载及边界条件
• 6.1.3 计算结果及分析
• 6.2 多年冻土地区路面结构调查与分析
• 6.3 多年冻土地区路面病害对策方法
• 6.3.1 多年冻土路基稳定措施
• 6.3.2 多年冻土地区路面对策方法
• 6.4 本章小结
• 第7章 结语
• 7.1 主要研究结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 需进一步深入研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文