（岩土工程专业论文）季节性冻土地区路基稳定性的数值分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 国道2 1 3 线郎木寺至川主寺公路改建工程通过我国最大的高原湿地若 尔盖湿地。高原季节性冻土路基经常出现的冻胀、融沉等问题，给行车带来 了极大的不便。本文在分析整理现有研究成果的基础上，着重对季节性冻土 路基的稳定性进行研究，为今后川西北地区的季节性公路设计提供参考。 由于特殊的地理及气候条件，高原季节性冻土地区路基翻浆病害较内地 更为严重和复杂，这些主要是路基不均匀沉降及在冻融条件下路基路面材料 物理、力学性能降低的外部表现。本文应用a b a q u s 软件对发生翻浆病害 下路基变形及应力进行有限元数值模拟，通过分析冻土路基融沉条件下的路 基路面的结构变形特征，指出翻浆病害是一系列影响因素综合作用的结果。 针对路基路面病害特征，提出了病害防治对策。 作者从水分迁移的角度对路基进行了渗流仿真。为使路基具有足够的强 度、整体稳定性和水稳定性，应尽量满足路基最小临界高度的要求，满足路 基干湿类型的要求使路基处于干燥或中湿的状态。在季冻区环境下，路基高 度主要是由毛细管水上升高度、地下水位置共同决定的。从保护环境和经济、 社会效益等综合考虑，建议采用1 5 m 填高的路基，并在必要时采取路基中下 部铺设透水隔离层的方法。 论文在前人所做研究的基础上，根据川西北地区的气候和土性条件，针 对该地区的季节性冻土路基隔离层的设置位置进行研究。通过对路基在最不 利季节时，不同隔离层位置对应的路基整体应力变形及隔离层自身的应力变 形结果比较得到，在川西北地区的公路设计时，将隔离层设置在距路基顶面 以下1 0 m 左右位置，既满足了隔离层和路基整体受力的要求，又保证了隔水 保证路基上部的干燥。 关键词：季节性冻土；路基；翻浆；数值分析；隔离层；冻胀；融沉 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t t h eh i 曲w a yr e c o n s t r u c t i o np r o j e c to ft h es t a t er o a d213w h i c hf r o mt h e l a n g m u s it oc h u mz h u s i p a s s e st h r o u g h c h i n a s l a r g e s tp l a t e a u w e t l a n d - - - r u o e r g a iw e t l a n d t h ep r o b l e m , s u c ha sf r o s th e a v e ，t h a ws e t t l e m e n t a p p e a r sf r e q u e n t l yi ns e a s o n a lf r o z e ns o i ls u b g r a d eo nt h ep l a t e a u , w h i c hh a s b r o u g h te n o r m o u si n c o n v e n i e n tt ot h ed r i v i n g t h ei m p o r t a n c eo ft h i sa r t i c l ei st h e s t u d yo ft h es t a b i l i t yo fs e a s o n a lf r o z e ns u b g r a d e ，w h i c hh a sm a i n l yr e f e r e n c e v a l u ef o rh i g h w a y d e s i g ni nn o r t h w e s t e r ns i c h u a ni nf u t u r e f o re s p e c i a lg e o g r a p h i c a la n dc l i m a t i cc o n d i t i o n s ，r i s i n gs o i lo ft h er o a di n s e a s o n a lf r o z e ns o i lr e g i o ni sm o r es e v e r ea n dc o m p l i c a t e dt h a nt h a ti no t h e r r e g i o n t h ed i s e a s e i se x t e r i o r r e f l e c t i o no fa s y m m e t r i c a ls e t t l e m e n ta n d m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c er e d u c i n go fr o a dm a t e r i a l i nt h ep a p e r , t h ed i s p l a c e m e n t a n ds t r e s so fp a v e m e n ts t r u c t u r eu n d e rd i f f e r e n ts u b g r a d et h a w i n gd e p t ha r e a n a l y z e db ya b a q u ss o f t w a r e c o m p a r i n ga n a l y z e dr e s u l t s ，ac o n c l u s i o nw i l lb e d r e wt h a tr i s i n gs o i li sc a u s e db yas e r i e so fi n f l u e n c ef a c t o ra tt h es a m et i m e ；t h e c o u n t e r m e a s u r e sa g a i n s tr o a ds t r u c t u r ed i s e a s ea r ed e s i g n e db ye o n t r a p o s i n g r e v i e w e dr o a dd i s e a s et r a i t si np e r m a f r o s tr e g i o n t h ea u t h o rh a sc a r r i e do nt h es e e p a g es i m u l a t i o ni nv i e wo ft h em o i s t u r e c o n t e n tm i g r a t i o nt ot h es u b g r a d e i no r d e rt oe n a b l et h es u b g r a d et oh a v et h e e n o u g hi n t e n s i t y , t h eo v e r a l ls t a b i l i t ya n dt h ew a t e rs t a b i l i t y , t h es u b g r a d eh e i g h t s h o u l ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f t h es m a l l e s tt h ec r i t i c a la l t i t u d ea sf a ra sp o s s i b l e ； i ta l s on e e d st om e e tt h er e q u i r e m e n t st h a ts u b g r a d es h o u l db ei ns i t u a t i o no f 衄o r l i t t l ew e tc o n d i t i o na l lt h et i m e i nt h ee n v i r o n m e n to fs e a s o n a lf r o z e ns o i lo nt h e p l a t e a u ，t h eh e i g h to ft h es u b g r a d ei sm a i n l yd e c i d e db yt h eh e i g h to fc a p i l l a r y w a t e ra s c e n d i n g , t h eg r o u n dw a t e r sp o s i t i o nt o g e t h e r g e n e r a l l yt a k i n ga c c o u n to f a l lt h ef a c t o r , t h ep r o j e c tt h a ts u b g r a d eh e i g h tt a k e1 s i nd e p t ha l ep r o p o s e d ，t h e m e t h o dl a y i n gt h ew a t e rp e r c o l a t i o ni n s u l a t i n gl a y e ri nt h el o w e r p a r to fs u b g r a d e a r ea d o p t e di fn e c e s s a r y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 b a s e do nt h ew a t e rt r a n s l o c 撕o i lm e c h a n i c so fp r e d e c e s s o r ss t u d yi nt h e s e a s o n a l f r o z e ns o i la n dt h es e t t i n gw a y so ft h es u b g r a d ei n s u l a t i n gl a y e ra n d t h i c k n e s s ，a c c o r d i n gt oc l i m a t ea n ds o i lt e x t u r ec o n d i t i o ni nn o r t h w e s t e r ns i c h u a n d i s t r i c t ，t h es e t t i n gl o c a t i o no ft h es u b g r a d ei n s u l a t i n gl a y e ri nt h es e a s o n a lf r o z e n s o i lg r o u n di nt h i sa r e ai sa n a l y z e da n ds t u d i e d t h es e a s o n a lf r o z e ns o i ls u b g r a d e i sa n a l y z e db yu s i n ga b a q u sf i n i t ee l e m e n tp r o g r a m s t u d ys h o w st h a tt h e o p t i m a lp o s i t i o no ft h ei n s u l a t i n gl a y e rs e t t i n gi sa b o u t1 o mu n d e rt h et o ps u r f a c e o fs u b g r a d ei nn o r t h w e s t e ms i c h u a nd i s t r i c t o nt h eo n eh a n d ，i ts a t i s f i e st h e r e q u i r e m e n t so ft h es u b g r a d e si n t e n s i t ya n do v e r a l ls t a b i l i t y ；, o i lt h eo t h e rh a n d ，i t m e e t st h er e q u i r e m e n t st h a ts u b g r a d ei si ns i t u a t i o no fd r yo rl i t t l ew e tc o n d i t i o n k a yw o r d s ：s e a s o n a lf r o z e ns o i l ；s u b g r a d e ；r i s i n gs o i l ；n u m e r i c a la n a l y s i s ； i n s u l a t i n gl a y e r , f r o s th e a v e ；t h a ws e t t l e m e n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交 通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保瓠9 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：知令青 指导老师签名： 日期：7 噼月心日日期：彳7 年2 月 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 利用a b a q u s 有限元软件模拟了季节性冻土路基在春季融沉时路基翻浆 过程，揭示冻土路基发生翻浆的根本原因。 2 通过对川西北冻土路基渗流场和应力场的分析，综合考虑提出川西北冻 土路基采用的合理填高。 3 通过对冻土路基隔离层和路基整体受力分析，给出了川西北季节性冻土 地区公路路基隔离层的建议设置位置。 学位论文作者签名：知伶舌 日期：z o 谁年f 月日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的主要内容及意义 冻土是指温度低于0 ，含冰且与土颗粒及岩石呈胶结状态的各类土， 即由固体矿物颗粒、水、冰和气体组成。由冻土的冻结延续时间又可分为季 节冻土和多年冻土两大类。季节性冻土是指地表层冬季冻结，而在夏季又全 部融化的土；多年冻土是指冻结状态持续2 年或者2 年以上的土。冻土在我 国非常发育，约占国土面积的7 5 。其中季节冻土占5 3 5 t - j ，冻土地区的经 济开发和利用，在我国的经济建设中占有重要的地位。 在季节冻土区，随着大气温度的下降，在地气的热交换过程中，土 体温度降到土中孔隙水冰点时，土中孔隙水及来自外界水源的迁移水将会出 现冰晶体，导致土体体积膨胀，引起附加的应力和变形，这就是冻胀现象。 到了春季，冻结后的土体从上层开始融化，但冻土层的下层尚未溶解，水分 无法下渗，使土体处于饱和及未饱和的状态而导致土体强度降低。一旦土体 中冰侵入体消融成水，而土体又未能完全排水固结，就会从上部结构发生沉 陷变形及道路翻浆等融沉现象。这种因土体冻结融化给工程造成的过大 变形或破坏就是我们所普遍关注的冻害。道路作为一个线性的建筑物，暴露 在大气中，受到自然及人为因素的影响，是受侵蚀破坏作用较严重的工程建 筑物之一，在川西高原地区，冬季因气候寒冷，土质潮湿，冻结过程中，由 于路基土的非均质性，加之土体受到道路结构层及面层的约束，路基产生不 均匀冻胀_ 引起路基变形开裂，其不均匀的冻胀将导致路面开裂；春季融化 过程中，因排水不畅，水分聚集，路基土处于软塑状态，承载力低，在行车 荷载作用下，路面发生裂缝，断碎，拱起( 鼓包) ，沉陷等病害，影响行车安 全，甚至无法通行。总之，无论是冻结过程还是融化过程，只要自然条件和 道路材料的组合适宜，就会导致路面、路基出现一系列的破坏。虽然一些破 坏的工程设施尚能带病运行，但是使用寿命缩短，且需要经常维修，影响工 程效益，耗用大量的经费和人工，冻害给国民经济造成了重大的损失。 本课题所依托的国道2 1 3 线郎木寺至川主寺公路改建工程项目地处青藏 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 高原东缘与川西北高原结合部，全长2 2 5 k m ，其中约6 0k m 路段位于若尔盖 湿地国家级自然保护区的边缘。全线四分之三路段位于海拔3 2 0 0 , - - 一3 8 0 0 m 的 高原地区，季节性冻土分布较广。该项目大部分路段的路基，经常出现冻胀、 翻浆沉陷等现象。目前，草原、平原地区季节性冻土路基惯常的处理方式一 般采用抬高路堤，加深路基两侧排水沟和设置蒸发池以降低地下水位等方法。 在高原草原区抬高路堤，将造成填方过大，无土可取的状况，且取土会造成 对草原周边环境的破坏，因此，抬高路堤既增加投资，也不利于公路与自然 景观的协调；但如果采用加深边沟、设置蒸发池的方法解决地面排水，又将 直接降低公路周边的地下水，破坏草原、湿地地区的生态环境系统。由于受 地理、气候、人类活动和环境变迁的影响，若尔盖湿地正在加速退化，水域和沼 泽面积不断缩小，草地日益沙化。若尔盖湿地的生态环境面临着全面恶化的境 地。良g jn l 公路建设必须考虑其对湿地保护区已经非常脆弱生态环境所带来的 影响。因此如何在既不影响草原、湿地生态环境的条件下，又能有效处理好 季节性冻土路基，是本研究课题研究的关键。 目前我国对永久性冻土的研究比较深入系统，研究成果也较成熟。对季 节性冻土路基的很多工程措施及相关的设计方法和技术参数的研究还很不充 分或是空白，如季节性冻土路基的隔离层的设置位置的确定，大多处于经验 设计状态，缺乏理论依据和定量结论；又如在发生冻胀和融沉过程中路基内 部的应力和应变的情况及对路基稳定性的影响。这些问题都具有重大的工程 意义和理论价值，也正式本课题将要重点研究的内容。随着西部大开发的深 入，基础设施建设步伐越来越快，特别是公路交通建设发展迅猛。我国西部 地区高寒草原、湿地分布较广，且绝大部分为生态环境脆弱的尚待开发地区， 所以做到公路建设与周边生态环境的和谐共存有着重要的社会意义。研究本 课题的必要性在于：因地制宜的选择合理的处治措施，有效处理好高原季节 性冻土路基，同时兼顾环境保护，做到草原、湿地生态环境尽量免遭破坏。 1 2 国外冻土工程建设与研究 1 2 1 国外冻土理论研究发展 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 早在十八世纪一些科学家已注意到土层的冻融现象，并开始进行观察和 初步的研究。1 8 8 5 年俄国工程师斯图金伯格提出了冻土水分迁移假说，将毛 细管的作用导致水分迁移，与土体冻胀相联系。他的这种假说在勃格达诺夫 1 9 1 2 年发表的著作中得到进一步发展，1 9 世纪初到2 0 年代，随着在冻土地 区修筑公路铁路等工程，前苏联及美欧学者开始对冻融现象、机理，进行过 许多科学实验和系统的理论研究。1 9 1 6 年美国人泰伯提出水分迁移是由结晶 力作用下移动的；而在土中有被水填充的不同直径的孔隙存在时，则大孔隙 中形成大的冰晶体，而小孔隙中小冰晶体还没冻结( 冰晶体直径越小，融解 温度越低) ，在结晶力作用下，从没有结冰的小孔隙吸取水分，使大孔隙冰晶 体不断地增大，冻胀产生。3 0 年代初，前苏联学者拉普金根据实验提出把冻 土的融化沉降分成两部分：标准融化沉降( 因融化引起的沉降和在一定压力 下恒定的压缩沉降部分) 和可变压缩沉降( 由上覆压力成比例的增加的压缩 沉降) ，非多考夫根据粘性土的含水量与压力的关系提出了饱和融沉量计算方 法，格里什藤研究了冻土加载和卸载时的压缩性；崔托维奇研究了受荷载作 用下冻土的融化下沉。3 0 年代后期美国学者贝斯考，通过观察冰的形成过程， 认为在自然条件下，土的分散性和毛细管作用紧密相关，而在水分迁移过程 中，土的分散性是通过毛细管作用表现出来的，提出了将毛细管水上升高度 作为冻胀性的指标，与地下水、土粒的性质综合起来评价土的冻胀。5 0 年代 后期，1 9 5 7 年美国学者潘纳提出一个假说，土体的孔隙大小，决定了水冰边 界面上吸力及水向已生长出的冰晶的迁移补给。即将土中水分迁移和冰析出， 同土的分散程度和孔隙率紧密联系起来。1 9 5 8 年另一位美国科学家居密克斯 在对冻土中水分迁移机理的论述中，认为按照土的孔隙率，冻结时土中水分 迁移借助于薄膜机构、毛细管机构、蒸汽机构同时进行作用。而最有效的途 径是由毛细管一薄膜机构，来为冻土带中生长起来的冰晶提供水分补给。1 9 6 2 年德国学者吕克利认为，水分迁移受吸力控制，而土体埋藏条件，岩土的化 学成分，孔隙率等变化是影响吸力大小的因素。到了7 0 年代，人们开始用热 力学解决冻害问题。1 9 7 3 年h a r l a n ( 美国) 首先综合分析了土体冻融过程中的 水热耦合输送过程，建立了土体冻结过程中的热值迁移数学模型【2 】。象 b r o w n ( 1 9 6 4 ) ，m o r g e n s t e r n n i x o m ( 1 9 7 1 ) 等对融化都提出过不同的计算模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 而7 0 年代前苏联的崔托维奇( 1 9 7 3 ) 的“冻土力学”专著的发表，标志着冻 土研究这个领域进入了新的发展阶段。维亚洛夫提出了解释冻土蜕变特性的 最新理论“变形运动理论 。文章给出的以加荷速度、荷载作用历时和温度等 为函数的土的变形方程，认为应力的大小决定了变形的特点；大应力下获得 长期型蜕变，此方程能够确定考虑温度变化的冻土变形方程。弗拉罗夫提出 了综合研究冻土物理性质的“动力和静力松弛光谱学方法 ，认为研究在不同 的力学场中的动力学光谱只是一个带方向性的问题，从这些力学场中可以获 得冻土和冰的成分、结构、内部作用机理和物理性质，而静力松弛光谱学可 以完整地反映各类建筑物冻土地基的缓慢松弛作用。美国的t s 文森用三轴 循环试验研究冻土的动荷载力学性质之后，又用地震荷载模型试验研究冻土 的动荷弹性模量和阻尼系数。8 0 年代至9 0 年代，d u g u e n n o i ( 1 9 8 5 ) f r e m o n d 和m i k k o l a ( 1 9 9 1 ) 提出了水热力耦合模型就是把冻土的力学特性和水热 传输一起考虑，即把水分场，温度场和应力场统一考虑。模型中，饱和土被 称作是由颗粒骨架，液体水和冰三种介质组成，此模型可以描述孔隙水的冻 结，孔隙水和热的传输以及冻胀融沉。另外，日本学者木下诚一对火星冻土 进行了初步研究【3 】。2 0 0 0 年以来，国外学者尤其是俄罗斯的冻土工程学者， 对冻土路基的稳定性进行了研究，俄罗斯学者v d k a r g a p o l v 对路路基稳定 性进行了调查研究发现，公路的破坏主要由多年冻土的融沉而引起，公路的修 筑改变了大气与冻土之间的热量平衡，使季节融化深度加大，导致了路基下 高含冰量冻土的融化及路基变形的发生。同时，作者也提出了防止路基变形的 方法即采用泥炭层使其在夏季水分蒸发过程中冷却路基表面。a v s t e p a n o v 等人分别在野外及室内对道路工程中常用的隔热材料一泡沫聚苯乙烯的热 物理性质进行了详细研究。研究内容包括：泡沫聚苯乙烯的吸水率、导热系数、 膨胀率及其与密度、温度、湿度、冻融循环次数的关系。野外及室内的研究 结果表明，泡沫聚苯乙烯的物理力学性质在工程应用条件下基本上不发生变 化，可以作为保温材料在道路及建筑工程中广泛应用嗍。 1 2 2 国外冻土工程措施 冻土是温度敏感性岩土介质，除温度外，影响其稳定性的因素还包括岩 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 性、含水量、地热以及过程作用。在这些因素中，只有工程的影响是人为因 素，也是维持和调控地温的主动因素。目前已有的工程措施，从对地温影响 的方式角度出发，可以划分为被动措施和主动措施两大类。前者主要指维持 地温的原始状况或减缓冻土的退化；后者是指积极主动地改进冻土的热状况， 使其向有利于工程稳定性的方向发展。 1 被动工程措施 被动工程措施除填筑一定的路基高度以保护其下冻土不致退化外，主要包 括以下一些内容： ( 1 ) 改变土体表面热辐射条件，如k o n t r a t j e e v v g ( 1 9 9 6 ) 提出的，将路 基表面或边坡面涂刷白色油漆，或在路基面处铺设白色碎石，修筑遮阳避雨 棚，冬季清除路基表面及两侧的积雪，以保持路基土体与大气间的辐射条件。 ( 2 ) 改变路基土体与大气及原冻土热传导状况。目前，对基于这一原理的工 程措施应用和研究较为深入广泛，其中研究最为广泛的是保温材料措施。早 在2 0 世界6 0 年代，美国就有将保温层用于保护多年冻土的专利提出。6 0 年 代，在美国阿拉斯加k o t z e b u e 机场建设中，即在道路填土中采用了聚苯乙烯 保温层；7 0 年代，加拿大在多年冻土区砾石公路上进行了保温层试验研究； 俄罗斯在修建贝加尔阿穆尔铁路时，在部分区段道碴下及边坡上使用了泡 沫板材料。上述工程研究表明，隔垫层的工程效果较好昀。 以上被动工程措施的出发点在于克服或延缓由于冻土退化造成的路基破 坏。在长期的冻土退化背景下路基仍有可能出现一系列的问题，并需要不断 地投入维护费用。 2 主动地温调控措施 主动地温调控措施主要包括采用调控传导和调控对流的方法。已有的调 控对流的方法包括通风路基、碎( 片) 石路基及热棒。 ( 1 ) 通风基础曾被广泛应用于房屋建筑。对于通风路基的研究，1 9 7 4 年美 国曾在阿拉斯加的费尔班克斯( f a i r b a n k s ) 西4 0 k i n 的公路上进行现场试验， 试验场冻土为富冰粘土，试验选用了内径2 0 , - 一5 0 c m 的金属波纹管。通风管道 小坡度倾斜并平行公路埋放于坡脚附近，沿纵向一定间隙设置竖向管，以发 挥“烟囱效应”，促进空气的流动。研究中对热流以及管道的热影响范围进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 了解析分析，并对管体的最佳位置进行数值模拟分析，结果认为应用通风管 路基具备可行性旧。但目前通风管在冻土区公路路基上的使用效果研究有限， 冻土大国俄罗斯亦尚未见使用通风管的报道。 ( 2 ) 碎( 片) 石路基。其原理是应用碎( 片) 石堆砌体实现冬季蓄冷夏季隔 热的效能。该方法曾应用于贝加尔阿穆尔铁路i v 级融沉性富冰地区和永久 冻土地区。美国在阿拉斯加公路路基上也进行过这方面的试验。 ( 3 ) 热棒是利用气液两相转换，通过对流循环换热来实现热量传输的装置。 早在1 9 6 3 年，美国的l o n g e l 就曾提出将热棒应用于保护冻土地基稳定性 的方法，之后就得到了较为广泛的应用 7 1 。 此外，有关文献还有关于西伯利亚多年冻土地区采用在土工格网中充填砂 砾修筑路基的报道。 1 3 国内冻土工程实践与研究 1 3 1 国内冻土理论研究发展 我国对冻土的研究始于二十世纪五十年代末期。华北、东北地区道路的 冻胀翻浆，房屋的开裂倾斜等，使人们注意到研究地基土冻胀，融沉等冻害 的重要性。5 0 - 6 0 年代主要是通过对野外道路的实际调查及室内冻胀实验分 析破坏原因，并提出了加强保温与选择好填料两大措施，加强了冻胀、融沉、 冰锥、沼泽、湿地等病害地段路基加固与防护( 铁道部工程设计院1 9 5 8 ) 。 1 9 6 5 年在全国道路冻害防治会议上，交通部研究院等单位针对不同道路的水 文条件类型，提出了路基水分集聚计算公式，总结了灰土垫层，石灰与砂桩 在改善路基水温状态，减少道路冻害方面取得的成功经验。中国建筑研究院， 哈尔滨建工学院及黑龙江省低温建筑科学研究所等单位在房屋冻胀破坏分析 与室内冻胀试验研究的基础上，提出土的冻胀分类并纳入设计规范 g l ，对保证 房屋安全及稳定方面起到了相当大的作用。7 0 年代初期，根据青藏公路、铁 路的建设，运营与科研实践，总结提出了我国第一部冻土地区铁路勘测设计 文件，对多年冻土与翻浆冻害地区的公路设计做出了规范性规定。 7 0 年代中到9 0 年代，经济建设的飞速发展使道路建设与科研工作上了 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 一个新台阶，先进的技术手段与方法使研究工作更为细致和深入，无论在理 论上还是实践上都取得了大丰收。在工程地质勘测方面即路基、桥涵、隧道 排水等设计，做出了明确规定【9 】，要求按冻土条件划定四级分区原则和适用范 围。提出由土的类别、总含水量、融化后状态和融沉性，来划分少冰、多冰、 富冰、饱冰和含土冰层的五类冻土分类法；规定了在冰椎、冰丘、热融滑坍、 沼泽湿地等特殊不良地质条件下的道路造线原则，工程的设计原则和要求嗍。 区分了一般设计与按冰土条件特殊设计的界限、标准。这些成果，提高了冻 土地区道路工程的设计水平，丰富了我国冻土学的研究内容。 在勘测设计方法及应用理论方面；7 0 年代先后出台的冻土区公路，铁路 的勘察手册及有相关设计原则、细则及参数等规范性文件；随后的勘察设计 规范手册l i 】，在前人工作的基础上，更加合理，完善全面。陈肖柏等( 1 9 7 9 ) 、 周幼武等( 1 9 8 2 ) 、张志安( 1 9 8 2 ) 、东北冻土研究协作组( 1 9 8 3 ) 、程国栋( 1 9 8 4 ) 、 郭东信( 1 9 8 8 ) 等对寒区冻土的研究进展及分布规律、稳定状态、力学特征、 水热交换等进行系统的研究。朱阳福( 1 9 8 1 ) 、黄小铭( 1 9 8 3 ) 、戴竟波( 1 9 8 3 ) 、 丁德文( 1 9 8 3 ) 等、路基模型试验协作组( 1 9 8 3 ) 、青藏公路科研组( 1 9 8 3 ) 、 陈恒麟等( 1 9 8 9 ) 、吴紫汪等( 1 9 9 8 ) 、米海珍等( 1 9 9 8 ) ，对冻土区道路的表 面热量分配特点，修筑路堤与冻土天然上限关系，人为上限变化规律与计算 方法，人为上限受天然上限制约进行了探讨。励国良等( 1 9 8 0 ) 、陈卓怀( 1 9 8 3 ) 、 常保平( 1 9 8 8 ) ，通过分析冻土区桥梁，涵洞基础人为上限变化规律，探讨了 桩基与冻土之间热平衡关系，为确定桥、涵基础类型和埋深，提供了理论依 据。同时对承载力计算方法及对桩基参数选择和影响地基系数的因素进行了 深入研究，并获得很多实用的宝贵经验。邴文山( 1 9 8 4 ) 讨论了混凝土水泥 路面在冻胀作用下的受力状态和破坏原因，提出了以混凝土材料的极限延伸 度为控制标准的防冻层设计理论和方法。在测试手段上，顾中伟等( 1 9 7 9 ) ， 使用直管地温表、热电偶测温计、热敏电阻测温计、石英晶体测温计与热流 计等对路桥地基的温度、热流进行量测，在对冻深的确定过程中，采用了地 温法，并引进了物理方法、电阻法、水分法和地震探法。卓宝熙等( 1 9 8 2 ) ， 已在寒区冻土的道路选线、选址、测绘、道路航测方面成功应用了遥感技术。 杨化中( 1 9 8 4 ) ，在对道路的勘测及工程质量检测中，采用了先进的技术手段， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 应用了透射式中子水分计，r 一密度计，核磁含水量、密度测定仪等。罗庆林 等( 1 9 9 4 ) ，在对冻区路堤下沉危害探讨中采用物探方法，确定路堤下冻土上 限值，与人工挖探的结果较吻合，更进一步证明了物探方法应用的可行性， 丰富了勘测手段，提高了技术水平。马巍等( 1 9 9 5 ) 、王家澄等( 1 9 9 6 ) ，利 用电子显微镜揭示了冻土中的微观形态的形成发育过程，提出了在不同受力 状态下冻土颗粒错位、破碎，微裂隙发育的机理，对冻土学发展及工程冻害 防治有重要实际意义。近几年地质雷达的应用，吴青柏等( 2 0 0 0 ) 应用计算 机模拟冻土分布特征的分析，使冻土的研究及测试工作有了突飞猛进的发展。 道路病害防治及稳定性评价方面；近4 0 年来，在探讨冻区病害成因类型和防 治的工作中，取得了很多成果和经验，促进了稳定性评价工作的快速发展。 冻胀融沉，是冻区土体的基本变形特征，也是导致冻区各种工程产生 病害的主要原因所在。陈肖柏( 1 9 8 8 ) 【1 2 】认为土的冻胀作用是季节冻土区道 路等工程产生冻害的主要原因，也是造成多年冻土区建筑物冻害的主要原因 之一。王希尧( 1 9 8 0 ) 【1 3 1 ，提出了土冻胀沿深度分布存在多种模式，而且与 土质和地下水位及其动态有关。朱强等( 1 9 8 8 ) 【叼将土体的冻胀沿深度分布 划分为4 种类型，为在不同水文条件下的各类工程选择埋深，预防冻胀提供 了理论依据。徐学祖等( 1 9 9 4 ) 旧由试验结果，可分出因冷却速度不同土体 冻胀速度发育的三种类型，且通过调节土柱冷端面的速度形成稳定入流情况。 吴紫汪( 1 9 8 1 ) 1 1 6 1 对土的冻胀机制，动力与变化规律等研究成果为道路工程 的冻胀成因，分类和病害防治措施的制定提供了理论依据。在此基础上，科 研人员对土体冻胀引发路基病害的原因进行了深入的实验研究分析，对各种 影响因素与冻胀之间的关系提出了不少经验公式，并给出冻胀分类方案【l 刀。 1 3 2 国内主要的工程措施 中国在公路建设中第一次遇到高原冻土是1 9 5 4 年7 月修建青康公路( 2 1 4 国道) 查拉坪段时，由于当时缺乏对多年冻土及其工程防治措施的认识，按 一般沼泽地段施工常用的挖淤换土的处治方法处理，结果造成多年冻土大面 积暴露融化，后经改移线路填筑路基，问题才得以基本解决。 1 9 6 0 年中国科学院在兰州成立了冰川积雪冻土研究机构，同年铁道部高 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 原铁路科研所也在兰州成立，相关单位研究人员于1 9 6 0 - - 1 9 6 2 年开展了青藏 公路沿线的冻土考察，1 9 6 5 年青藏公路沿线冻土考察论文集系统地总结 了高原冻土的分布、温度状况、地下冰等特征，标志着我国冻土研究进入新 的阶段【- s l l s 9 。1 9 7 0 年交通部成立青藏公路科研组，此后，交通部第一公路勘 察设计院、中科院兰州冰川冻土研究所等单位针对青藏高原多年冻土地区公 路修筑技术进行了长达3 0 年的不断研究，在工程界首次实现多年冻土区大面 积铺筑沥青路面并获得成功 2 0 2 q 。同时，先进、丰富的高原多年冻土区路基修 筑技术为2 1 世纪初青藏铁路的开工建设提供了宝贵的经验。 随着我国道路建设的规模不断扩大，科学技术的发展，新材料工艺和新 结构的试验研究和应用日趋成熟，新的研究成果不断涌现。 李恩英( 1 9 8 2 ) 翰提出在纵断面设计时，要注意路基疏出水流的排泄和 排水出口的防护，路堑、隧道渗沟及椎体保温式出水口的设置。赵云龙( 1 9 8 3 ) c 2 3 】为防治路基侧冰椎危害，设置了积冰沟和挡冰堤的复合体系，积冰沟阻挡 沟侧层上水，同时也起到积冰的作用；防冰堤阻挡冰椎破水从地面流向线路， 同时也辅助冻结沟阻截潜水，达到整体防护的目的。对传统的换土防冻胀措 施进行了冻结过程中的冻胀强度、冻结压力分布特征的研究，以及冻害高度， 均匀冻胀高度，临界冻结深度对换土厚度影响的试验研究，给出了即满足行 车安全需要同时又经济的换填方案。 在全球气候转暖对多年冻土影响的情景下，冯文杰等( 2 0 0 1 ) 刚开展了在 多模式下气温升高对冻土上限的影响试验研究针对不加抛石遮阳棚、加抛 石、加抛石遮阳棚3 种隋况，地表温度均采取基本温度加2 次不同升温冻融循 环进行。结果表明，加抛石及遮阳棚对多年冻土上限有着明显的影响，冻土上 限的变化与气温基本上呈正相关，为寒区道路工程设计与施工提供了理论参 考依据。通过对温度波在地层内传播过程问题的分析研究，李述训等( 2 0 0 2 ) 嘲讨论了土在冻结和融化过程对地气系统能量交换的影响，并以亚粘土为例 应用近似方法计算了在冻结和融化过程地气系统能量交换和地温变化特征， 同时将相同条件下发生冻融作用与不发生冻融作用情况地气系统热交换量进 行了比较，结果表明，冻融作用使地气系统热交换加强，同时吸热和放热的过 程也发生了改变。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 田亚护等( 2 0 0 2 ) 嘲运用有限元分析方法，对多年冻土区含保温夹层的路 基温度场进行了数值模拟。计算时采用改变保温材料聚苯乙烯( e p s ) 层的厚 度、宽度、埋设位置及路基表面条件，通过对计算结果和多年冻土上限变化的 分析比较，得出了在多年冻土区路基中铺设保温材料对路基面下多年冻土具 有明显的保护作用，总结出在多年冻土区路基工程中铺设保温层的合理厚度 与位置。刘文白等( 2 0 0 3 ) 【2 7 】试验测试了( 膨胀性聚苯乙烯) e p s 材料的特性， 设计了三种e p s 板，以起到减少地表向深层的热流量，保持道路的稳定，防 止融陷与翻浆。同时铺设了格室土工格栏和水泥稳定砂砾与e p s 板结合起来 使用，形成增强层，以提高路基承载力和稳定性。针对冻土与湿地地区道路 常常出现的融沉破坏，苏跃宏等( 2 0 0 5 ) 口叼进行了“加筋土+ e p s 板 试验路 段的处理，处理效果甚好，其原因是e p s 板有效地阻碍了热量向下传播，减缓 了冻土的融化程度，而加筋土增加了路基的整体强度和侧向约束，有效地扼制 了沉降。该研究为类似地区今后修筑道路提供了科学依据。 针对北方寒冷地区道路冻胀翻浆与地基融沉等病害，郝万喜等( 2 0 0 5 ) 嗍 开展了轻质土在道路基层中的应用研究，并在试验路铺筑的实践基础上，阐述 了气泡混合轻质土的力学特性与试验结果分析。初步证明，轻质土在冻土地基 的隔热保温与台背填土的防冻胀方面效果比较明显的。由于阴阳坡差异引起 路基不均匀沉降而导致的路面纵向裂缝病害严重影响了路基的稳定性。 喻文兵等( 2 0 0 5 ) 刚通过室内试验研究了在相同温度边界条件下普通路 基和抛石护坡路基的温度分布特征，对比分析了两种路基结构的温度差异。 结果表明：普通路基的阴阳坡两侧温度分布极不对称；铺设抛石护坡后，这 种状况得到了很大改善，并且抛石护坡下土体温度明显降低；抛石护坡能够 降低路基温度和调节路基阴阳坡的温度差异；抛石护坡是多年冻土区防治路 基融沉和纵向裂缝病害的一种可行措施。 通过上述的分析总结，在此基础上制定有效的寒区道路病害防护体系和 工程防治措施。重视纵横断面、设置综合防治工程，因地制宜有机组合，充 分发挥各种防护构筑物的效能，达到整体防护的作用。 1 4 本文的研究内容和方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 4 1 研究内容 1 模拟季节性冻土路基春季翻浆时的应力场和变形场变化特征； 2 模拟季节性冻土路基的渗流场和变形场及确定路基合理填筑高度。 3 模拟隔离层设置不同位置时对路基稳定性的影响； 1 4 2 研究方法 本文主要是和研究川西北高原冻土路基问题。采用的研究方法是，首先 选取前人提出的合适的理论数值模型和参数，选用大型非线性有限元分析软 件a b a q u s 建立其有限元计算模型，对冻土路基渗流、应力、变形进行分 析，研究其变化规律。在理论分析与测试的基础上，研究解决川西北高原季 节性冻土路基的合理填筑高度，隔离层设置位置的问题，并且通过对路基内 部的应力、应变分析，讨论季节性冻土路基的破坏机理及对路基稳定性的影 响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章路基翻浆数值模拟 在季节性冻土地区的公路或城市道路上，冬季常可看到，有些地段的路 基由于土体冻结而膨胀，甚至路面被胀裂。到春天化冻后，这些膨胀的部位 又塌陷下去，由于化冻水分不能及时排出，与土混合形成泥浆，车辆碾压后， 泥浆就从路面裂缝中翻到路面上来，即是所谓的翻浆。 2 1 道路冻胀翻浆 2 1 1 道路冻胀翻浆发育过程 翻浆是因为化冻时期路基上层土体里的水分太多，一时排不出去而形成 的。翻浆地段的路基在秋天含水量并不太多，但经过一个冻结和融化的过程 就聚集了过多的水分。试验证明，当土层一部分温度降低，发生冻结的时候， 附近温度较高而尚未冻结的其它部分土层里的水分，就会向温度较低的冻结 区移动聚集。这是由于分子吸力的关系，土层颗粒表面包着一层一定厚度的 薄膜水，当温度降低薄膜水开始部分冻结的时候，剩下的水膜厚度减薄，分 子吸力有了剩余，因而将较暖处的尚未冻结的薄膜水源源不断地吸来，于是 发生土层水分向冻结区的聚流现象【3 1 1 吲。在土层中的毛细水也是在冷处比在 热处具有更大的表面张力，气态水也是在土体温度较高处水气压力较大，这 都促成这些水分( 毛细水和气态水) 由暖处向冷处移动。 路基冬天表层土开始冻结的时候，下部尚未发生冻结的土层里的水分就 向已冻结的路基上层聚集，结果使路基上层水分大量增加。在冬天地面初冻 后不久，气温较长期的保持在一定温度，既不回升也不显著下降，这时冻结 线也将较长期地停留在一定深度，路基土暂时不再向下冻结，于是地冻线以 下的未冻土层里的水分( 包括来自地下水、毛细水的水分等) 就会继续不断 地向冻结线附近聚流。冻结线停留的时间越长，聚流的水分也就会越多，于 是地冻线附近就会聚集大量水分，并冻结成一个相当厚的聚冰层。这一聚冰 层的总厚度自几厘米至1 0 一2 0 厘米以上。根据当地气候情况的不同，这个冰 层的位置距路基顶面的深度也不同，在我国西部地区，大致在地面以下3 0 一 6 0 厘米深度处。有时在l 米多深处还有第二个显著的聚冰层出现。而造成道 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 路翻浆的，则主要是距路面较近的第一个聚冰层的那些水分 3 3 1 。化冻时这些 聚集来形成冰层的大量水分不能一下子排出去，都积留在路基上层土体里， 于是就形成翻浆。在有路面的道路，尤其在有黑色路面的道路上，这个情况 常常显得更严重。因为路面石料尤其黑色路面传热比路基土快得多，当冬天 冷却的时候，路面下的土层比两旁路肩下的土体冷的快、冻结早，于是不但 路基下部，而且两旁路肩尚未冻结部分土体里的水分，都向路面下先冻结的 土体处聚集，因而路面下聚集的水分特别多，到了春天化冻时期，路面下的 土层又比路肩下的土层暖得早、化得快，于是路基下面残余未化的土体形成 凹槽状，化冻水分更不易排出去，因而翻浆更严重【卅。 冻胀翻浆现象是一年四季都在连续发展和变化着的( 如图2 1 所示) ，在 秋季，秋雨连绵，路基土湿度增加，地下水位升高，这是路基土水分原