气泡混合轻质土在季节性冻土路基中的应用研究

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季节冻土区约占我国国土面积的53.5%,其研究对我国自然资源开发和社会经济发展有广泛而重要的影响。位于季节冻土区的公路路基因经受周期性冻融循环作用,路基经常发生冻胀和翻浆破坏,对地区交通运输和经济运行造成了严重影响。针对季节冻土区公路路基的冻害问题,本文提出一种能同时满足保温隔热、力学承载、抗冻、工程经济性的气泡混合轻质土(FCB)保温隔热路基设计方法。在路基中设置气泡混合轻质土保温隔热层,一方面能满足路基承载能力,起到路基填筑功能,另一方面起到保温隔热的功能,有效的治理路基的冻胀翻浆等病害,起到双功能层的作用。本文采用导热系数测定试验、无侧限抗压强度测定试验、冻融循环试验等室内试验及有限元理论分析等方法对气泡混合轻质土保温隔热路基的可行性进行研究论证,从气泡混合轻质土的材料性能研究、保温隔热路基的设计理论研究、季节冻土区典型路基设计研究三个层面逐层进行分析研究。主要的研究成果如下:(1)做为热工材料,气泡混合轻质土导热系数小、热阻大,是很好的保温隔热材料,W6~W10容重等级的气泡混合轻质土导热系数为0.140~0.284W/(m·℃),达到相同保温隔热效果时,气泡混合轻质土保温隔热层必要厚度仅为其他路基填料层厚度的1/9~1/2,有着很好的保温隔热效果。(2)做为季节冻土区路基填料使用时,W6~W10容重等级的气泡混合轻质土抗压强度为1.38~4.62MPa,满足路基填筑强度及路用性能要求;经防水处理后,15个冻融循环周期后强度损失率较小,损失率为24.4%~12.9%,满足抗冻性设计。(3)同时考虑满足路基承载力、保温隔热性、抗冻性、工程经济性时:重冻土区冻胀最严重地区(大兴安岭市)推荐选用容重等级为W7的气泡混合轻质土保温隔热层,最佳厚度为140cm,有效治理一平方米的路面造价是327元;中冻土区冻胀最严重地区(乌鲁木齐市)推荐选用容重等级为W6的气泡混合轻质土保温隔热层,最佳厚度为100cm,有效治理一平方米的路面造价是206元。(4)采用气泡混合轻质土保温隔热路基,符合环境友好型的设计理念,可有效减小施工期对周边环境的影响,同时具有很好的推广应用价值,能产生巨大的经济效益和社会效益。
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