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冻土作为一种特殊的岩土材料,其力学性质很大程度上取决于冻土的温度及含水量。对于高温-高含冰量冻土,温度的微小波动会使其力学性质发生很大的变化。在全球气候变暖和工程活动的双重作用下,多年冻土区路基下冻土温度普遍升高,产生高温-高含冰量冻土层,导致路基产生较大的沉降变形,对路基稳定性产生严重的影响。多年冻土区道路工程的稳定性是一个非常复杂的课题,高温-高含冰量冻土地段路基稳定性是我们目前面临的最大挑战。为了明确高温-高含冰量冻土的压缩(蠕变)变形特性及冻土路基的变形机理,确保冻土区路基稳定性,本文主要采用室内试验、现场试验、数值模拟等手段,围绕高温-高含冰量冻土的压缩(蠕变)变形特性及冻土路基变形机理展开研究,主要包括室内高温-高含冰量冻土压缩(蠕变)试验、冻土粘弹性流变模型识别与参数反演、冻土路基变形实体工程试验、现场冻土承载试验及冻土路基变形数值模拟等,得出以下主要结论:
(1)室内青藏粘土冻结温度试验表明,在含水量20%~120%之间,冻结温度随含水量的增加而升高,当含水量为80%时,青藏粘土的冻结温度为-0.1℃,即使含水量为20%,其冻结温度也仅-0.2℃。
(2)高温-高含冰量冻土恒载变温压缩试验表明,在温度较低的-1.5℃、-1.0℃下,冻土的压缩量相对较小,而在温度较高的-0.5℃、-0.3℃下,冻土的压缩量相对较大,在-0.5℃、-0.3℃两级温度荷载下的压缩量占总压缩量的70%以上;当温度相同时,应力越大,冻土的累加应变量越大,对温度越敏感;在0.1 MPa应力下,冻土的累加应变量随含水量的增大而减小,而在0.2MPa、0.3 MPa应力下,当含水量为80%时,冻土的最终累加应变量最大。
(3)利用最小二乘法对单轴蠕变试验结果反演分析表明,温度为-0.5℃,含水量分别为40%、80%及120%三种冻土粘弹性流变模型的反演参数,在以简单性和精确性为优选指标建立的模糊优选模型中,退化的Burgers模型均为最优模型,即三元件体模型(N-M)。
(4)青藏铁路北麓河路基变形试验段的温度及变形资料分析结果表明,采用增加路堤高度保护冻土的设计方法可以提高冻土上限,保护路基下部多年冻土,确保路基的热稳定性,但冻土路基在温度场调整过程中,引起路基下多年冻土温度升高,产生了一个高温冻土层。即使路基下多年冻土不发生融化,冻土路基仍会产生较大的沉降变形量,其主要来自于天然上限以下多年冻土层的压缩(蠕变)变形。
(5)现场冻土承载试验结果表明,在0.1 MPa应力下,温度和含水量是影响高温-高含冰量冻土变形的主要因素,温度越高,变形量越大,含水量越高,变形量也越大。并且沉降变形具有明显的蠕变性质,与冻土路基沉降变形实体工程观测资料类似,高温-高含冰量冻土压缩(蠕变)变形是路基变形的主要原因。
(6)冻土路基变形数值计算结果表明,路基下多年冻土温度均随路基使用年限的增加而升高,形成高温冻土层;冻土路基的沉降过程与年平均地温有关,年平均地温越高,路基沉降变形量越大;路基中心与路肩存在差异变形,年平均地温越高,差异量越大;年平均地温在-1.5℃~-0.3℃之间,路基高度为4m的铁路路基在变形稳定后,年平均沉降量小于2cm,在30a内累计变形量不超过20cm,可以保证青藏铁路高温-高含冰量冻土路段正常运营,满足路基稳定性要求。