车辆荷载作用下多年冻土路基稳定性分析

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我国多年冻土主要分布于东北大、小兴安岭、松嫩平原北部和青藏高原等高山地带,总面积约2.15×106km2,其中青藏高原多年冻土面积约为1.4×106km2。青藏高原地理独特,气候条件特殊,以高温高含冰多年冻土为主。这类多年冻土热敏感性高、热稳定性差,更容易受季节更替的影响。青藏公路自通车以来,受青藏高原气温升高和人为扰动的影响,导致多年冻土上限逐渐下移,含冰层加速消融退化,加剧了沿线公路路基的破坏,对交通安全产生了一定影响。本文以青藏公路路基为研究对象,考虑了车辆荷载对路基长期稳定性的影响,研究了不同温度边界条件下多年冻土路基稳定性的演变特征。主要研究内容包括:首先,归纳了多年冻土路基的主要病害类型和影响多年冻土路基稳定性的因素;分析了稳态和非稳态条件下的冻土路基热传递方式,并考虑水分迁移,建立了水、热、力三场耦合有限元分析模型。其次,根据车辆荷载对路基的作用特点,建立了基于二自由度的车辆-路面耦合振动模型,并推导了车辆荷载的计算公式。最后,考虑气候变暖和车辆荷载对冻土路基长期稳定性的影响,利用ABAQUS建立了水、热、力三场耦合数值分析模型,研究了青藏高原未来50年升温2.6℃和限制本世纪末升温1.5℃条件下,多年冻土路基温度场和变形场的时效变化规律和特点。研究结果表明:(1)当未来50年升温2.6℃时,1月份路基融化核面积逐年增大,融化核内平均温度逐渐升高,冻结线逐渐下移,50年后路基中线处冻结线距离天然地表约5.7m;7月份路基的融化深度逐年增大,路基内温度整体升高,融化范围也逐渐增大。(2)当限制本世纪末升温1.5℃时,随着时间的推移,路基内温度大小和分布以及冻结线位置基本保持不变。(3)在车辆荷载和重力作用下,50年后路基顶面呈“凹”形。若未来50年升温2.6℃,50年后1月份和7月份路基的最大沉降量分别为18.13mm和18.52mm;如果将本世纪末升温控制在1.5℃时,50年后1月份和7月份路基的最大沉降量均为8.76mm,较前者分别下降了51.68%和52.69%。
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