基于融沉变形的青藏高原多年冻土区高速公路路面结构优化研究

发布时间：2020-09-29 17:40

　　青藏高原多年冻土区修建高速公路后,由于使用宽幅路基,总吸热面积和总体积热容均会大幅增加,导致融沉效应的加剧,严重影响着路面结构的使用寿命。针对多年冻土区宽幅路基融沉变形造成的路面结构开裂问题,本文利用有限元法模拟宽幅路基的温度场、融沉变形的变化规律,从路基路面一体化角度分析路基融沉对路面结构的损伤行为和损伤演化过程,并从路面材料和结构的角度对多年冻土地区高速公路路面结构进行优化。文章主要包括以下几个方面的内容:(1)通过分析多年冻土区宽幅路基的特点,提出温度场分析的基本方程、计算参数、边界条件以及初始条件等,并以有限元理论为基础,利用ABAQUS及其二次开发平台建立了基于第二类、第三类温度边界条件下多年冻土区的温度场有限元计算模型,利用该模型对宽幅路基温度场进行研究,评价窄幅路基现有的降温措施对宽幅路基的适用性。结果表明,多年冻土区高等级公路的宽幅路基与低等级公路的窄幅路基相比,具有更快的升温速度、较差的热稳定性,并且对下伏天然冻土的热扰动更大。多年冻土区公路由窄幅路基变为宽幅路基时,不仅会导致多年冻土上限下移,还会造成冻土融化的不均匀性加剧。与其它三类宽幅路基相比,采用了 EPS隔热层以及碎石层的复合路基考察点温度最低,温度升高幅度最小,热稳定性最好。(2)通过对冻土本构力学模型进行研究,选取EP本构模型来模拟冻土本构,并通过编写UMAT子程序使其在ABAQUS中实现,进而以宽幅路基温度场计算结果为基础,采用顺序耦合法,建立水热力三场耦合融沉变形有限元计算模型,分析多年冻土区宽幅路基融沉变形的变化规律。结果显示,随着时间的增加路基中心线处和左侧边坡位置处融沉变形均呈线性增加,且路基中心线处增加的更快。路基宽度由10m依次增加到18m、26m、34m、42m、50m时,横向融沉曲线逐渐由二次曲线向“盆状”曲线过渡。路基高度每增加1m,路基顶部融沉变形平均增加7.1cm。对于不同高度路基,随着路基宽度的增加,差异融沉变形均是先增加后减小,且最大差异沉降对应的宽度均在18m～26m之间。现有的多年冻土区路基降温措施虽然可以提高路基的热稳定性,但是会增加路基的不均匀融沉变形。因此,有必要研发新的多年冻土区路基降温措施,使其不仅可以降低路基(特别是宽幅路基)的温度,还能减小温度分布的不均匀性对路面结构的不利影响。(3)在路基温度场有限元模型和融沉变形有限元模型的基础上,结合损伤力学的基本理论,建立了考虑融沉效应的路面结构疲劳损伤模型,进而分析了路基融沉变形以及车辆荷载作用下路面结构的损伤行为和损伤演化过程,并研究了融沉效应对沥青路面各设计指标的影响。结果表明,车辆荷载与融沉变形附加应力的耦合作用使路面结构损伤度急剧增加,远大于车辆荷载或者融沉变形单独作用下路面结构的损伤。对于多年冻土区路面结构,在早期车辆荷载对路面结构的影响要大于融沉效应对路面结构的影响,占路面结构损伤的主要部分。随着时间的增加,融沉效应对路面结构的损伤影响越来越大,在后期对路面结构寿命起到决定性作用,即使没有车辆荷载的作用,路面结构在融沉效应作用下依然会发生破坏。(4)分别从路面材料和结构的角度对多年冻土区高等级公路路面进行优化,首先对低导热面层材料进行研究,并对其路用性能和阻热效果进行评价,而后在此基础上提出“反-阻-通”耦合路面路基一体化降温结构,并利用多年冻土区宽幅路基温度场有限元模型评价对其对宽幅路基的降温效果,然后从路面结构优化角度,提出高性能路面结构组合,并利用考虑融沉变形的路面结构损伤模型对不同路面结构寿命进行对比分析。结果表明,低导热面层中生蛭石粉的含量不宜超过12%,加入生蛭石粉后沥青混合料路用性能变化不大,且均满足规范要求。与未添加生蛭石粉的试件相比,加入生蛭石粉的沥青混合料内部温度均有所降低,因此通过在沥青下面层添加生蛭石粉而得到的低导热面层具有良好的阻热效果。“反-阻-通”耦合路面路基一体化降温结构由反射涂层、低导热面层以及通风散热路基三部分组成,并且对宽幅路基具有良好的处治效果。本文提出的高性能路面结构组合(4cmAC-13C+5cmAC-20C+12cmATB-25+6cmAC-13C+18cm 级配碎石+20cm水泥稳定碎石)对融沉变形具有较强的适应能力,可应用于青藏高速公路的建设。总之,本文提出的有限元模型可以实现对多年冻土区高等级公路宽幅路基温度场、融沉变形以及路面结构损伤度的预估,提出的路面优化措施可以有效提高路面结构的寿命。本文的研究为多年冻土区高等级公路的修筑提供了理论基础和科学依据。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U416.2
【部分图文】：

冻土路基,恶劣环境,路面

第一章绪论逦逡逑第一章绪论逡逑１．１研究背景及意义逡逑高速公路出现于上个世纪三十年代的欧美等发达国家，是专门为汽车快速通行提供逡逑服务的基础设施。由于在安全性、速度以及运输能力等方面存在突出优势，高速公路对？逡逑促进社会经济的发展起到了极为重要的作用，己经成为一个国家现代化发展水平的重要逡逑标志［１］。我国在高速公路建设方面取得的成绩尤为突出，截止到２０１６年底，我国高速公逡逑路总里程己突破１３万公里，位居世界第一。然而，我国东西部高速公路发展存在巨大逡逑差距：位于我国西部的西藏自治区目前仅有一条省内高速公路（拉贡机场高速），是我逡逑国唯一没有被纳入国家高速公路网的省（区）。由于西藏自治区尚无高速公路与其它省区逡逑连接，故又被称作高速公路的“拉萨孤岛”，严重影响了该地区的社会经济发展［２］。逡逑

冻土路基,西部大开发战略,交通压力,全面建设小康社会

逦＾邋＾邋８５°ｌ邋ｆｌ00Ｅ邋９５°Ｅ邋＾邋１0５0Ｅ逡逑图Ｕ高原地区典型强紫外线（左）和氋海拔特征（右）逡逑遍逡逑图１．２恶劣环境和冻土路基造成的路面酎久性不足破坏逡逑随着西部大开发战略的深入推进，十二？五规划己经将青藏高速公路的建设提上日逡逑程。青藏高速公路为Ｇ６京藏高速公路（７条首都放射线之一）的末段，由西宁至拉萨逡逑全长约１９００多公里，该路的建设不仅能够有效缓解本地区交通压力，而且对西藏民族逡逑发展、全面建设小康社会意义重大。然而，建设青藏高速公路面临着一系列问题。首先，逡逑１逡逑

早期破坏,重复作用,路面材料,行车荷载

地区的生态平衡，对环境造成不利影响。此外，建设青藏高速公路最大的技术瓶颈在于逡逑其跨越了邋５００多公里的多年冻土区，使得在该地区修建高速公路被视为世界性难题。逡逑图１．３冻土路基及其引起的典型破坏逡逑冻土由空气、土颗粒、液态水以及冰组成，是一种对温度变化极为敏感且热稳定性逡逑较差的土类，其物理力学性质（如强度、压缩系数、水分扩散系数等）随着温度的改变逡逑而产生剧烈的变化［３］。在冬季低温条件下，冻土中的水分逐渐冻结，土体强度升高，但逡逑会导致冻胀变形的产生；夏季高温条件下，由于冰的融化使得土体强度降低，进而产生逡逑热融沉陷。冻土的冻胀和融沉变形是多年冻土区路基路面结构发生破坏的主要原因，其逡逑中以融沉变形导致的路面结构纵向裂缝最为严重。受全球气候变暖的影响，青藏高原地逡逑区多年冻土处于退化过程，使得该地区冻土上限逐渐降低、永冻层厚度不断减小，加剧逡逑了融沉变形的产生和路面结构的破坏［４］。此外

【参考文献】