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位于多年冻土区的公路路基,面临所处环境中水分入渗的影响。水分入渗会使路基土体的含水率升高,进而影响路基的强度和稳定性。而公路的冻胀翻浆现象则与路基浅层的含水量紧密相关。因此,公路系统的排水情况直接影响其使用寿命。青藏公路中常见的路面裂缝和纵向裂缝的存在则为外部水分入渗提供了额外通道,进一步影响路基内部的水分和温度变化过程,导致路基结构的破坏。基于以上原因,本文对水分入渗条件下多年冻土区公路路基的水热过程进行了研究。研究方法主要包括野外现场试验,室内模型试验和数值模拟预报三个方面。 首先根据多年冻土区野外试验场地的实测数据,综合分析了路基外天然场地活动层内的水热变化特征、规律以及影响因素。在其基础上通过室内路基模型的水分入渗试验,揭示了路基在水分入渗条件下,其内部水分场和温度场的变化规律。最后,针对多年冻土区公路中存在的路面裂缝和纵向裂缝,建立了水分入渗模型,并结合渗流-传热耦合理论,运用数值分析方法研究了有裂缝时路基可能的水分入渗过程,以及水分入渗对路基的水热状况造成的影响。经过研究和分析,得到主要结论如下: (1)建立了多年冻土区活动层水热过程试验场地,通过对实测数据的分析得知:活动层内土体的水分含量与外部环境的降水入渗有直接关系。夏季降水入渗使活动层浅层土体含水率迅速增大,最大可增加15%以上;降雨结束后,受水分下渗和蒸发作用影响,浅层土体的含水率逐渐下降。此外,活动层内的水分运动与冻融过程密切相关。冻结初期,随着土体冻结及水分向冻结锋面的迁移,土体其他地方含水率降低;冻结稳定期,各层土壤未冻水含水率达到最小,水分通量基本为零;融化期开始后,各深度处未冻水含量开始迅速增大。各层土壤未冻水含量在冻结期和融化期的差值都在20%以上。多年冻土所处环境中的净辐射是影响活动层土体温度的关键因素。净辐射的时程变化规律和土体温度的变化之间有较好的相关关系,净辐射值较大时,土体温度相应较高,净辐射值较小时,土体温度也相应较小。 (2)通过路基的水分入渗室内模型试验,研究了水分入渗对多年冻土区公路路基水热过程的影响。结果表明:夏季降雨水分入渗对路基浅层区域土体水分含量的影响效果显著。降雨条件下,路基浅层土体的水分含量迅速升高,最大可上升10%。随着土体深度增加,其内部水分状态对水分入渗和蒸发的响应效果减弱。路基深层土体未冻水含量的变化则主要受冻融循环作用影响,变化规律和其所处环境的温度变化规律相关。路基-15cm深处土体含水率在冻结期和融化期的差值接近13%,-45cm以下土体的含水率差值则不超过2%。路基内部水分和温度的变化随着路基深度增加在时间上都有相对滞后的效应,土体深度越深,这种滞后效应越明显。 (3)水分入渗对路基浅层区域有明显的升温作用。路基结构不同位置的升温效果为:边坡下部>路肩下部>接缝处路面下部。路基浅层区域含水量和温度的变化与水分的入渗量相关,水分入渗量越大,土体的含水率变化也越大,对土体的升温效果越明显。 (4)路面裂缝的存在为水分进入路基提供了额外通道,使更多水分渗入到路基浅层土体之中,严重影响路基结构的强度和使用寿命。降雨作用下会在路面裂缝区下部形成明显的聚水区域。路面裂缝区的开裂程度对水分入渗量和入渗深度有显著影响。路面裂缝的开裂程度严重时,水分入渗量和入渗深度都较大,最大入渗深度超过0.6m。降雨强度和降雨持时则是影响路基水分入渗的另外两个主要因素。降雨持时越长,强度越大,带来的水分入渗量和入渗深度也越大。 (5)对青藏公路的纵向裂缝和阴阳坡效应进行了现场勘察和观测,发现阴阳坡最大温差达到5.81℃。青藏高原上无论路基走向如何,路基两侧坡面都存在温度差异。随后建立了公路路面-纵向裂缝产流模型,结合水-热耦合理论分析得知,公路所处环境的外部水分会通过纵向裂缝渗入到路基内部,最深可到达人为冻土上限附近,在纵向裂缝两侧形成含水率较高的条带状区域,对路基的水分场造成严重扰动。此外,水分入渗的同时将大量热量带入路基内部,使靠近纵向裂缝的部分土体温度升高,对路基的热稳定性造成严重影响。