（道路与铁道工程专业论文）季节性冰冻地区路基变形数值模拟.pdf

摘要 季节性冰冻地区路基在水温变化条件下发生冻胀和融沉 这将导致路基路面的破 坏 为了保证路基强度及其稳定性 有必要对路基变形状况进行研究 这对路基路面设 计有现实意义和理论意义 本文通过室内试验与理论分析相结合的方法 对季节性冰冻地区路基变形情况进行 了数值模拟 1 本文将诸多气象因素如太阳辐射 气温等气象条件叠加为第1 l 类 第1 i i 类边界 条件 建立了伴有相变的路基非稳态温度场有限元分析模型 对季节性冰冻地区路基温 度状况进行了研究 2 根据自然环境中水分的来源 分别建立了能真实反映路基水分来源的地下水发 育和降雨入渗的模型 并分析了基于该模型的水分场分布规律 3 进行了不同含水量的路基土试件在不同冻融循环次数下的回弹模量试验 分析 了回弹模量与含水量及冻融循环次数的关系 并结合温度场 水分场理论分析 研究了 水温状况对路基强度的影响 4 基于非稳态温度单场 水分单场的计算模型 提出了季节性冰冻地区路基位移 场计算模型及其计算的流程 分析了在温度 水分作用下冻结和融化过程中路基位移场 的变化 本文研究成果有利于路基冻胀和融沉的量化分析 为季节性冰冻地区路基变形研究 提供了理论依据 也为进一步研究水热力三场耦合奠定了理论基础 关键词 路基 温度场 水分场 位移场 数值模拟 冻胀 融沉 a b s t r a c t i nt h es e a s o n a lf r e e z i n gr e g i o n t h es u b g r a d ec r e a tf r o s th e a v ea n dt h a wc o l l a p s eo nt h e e f f e c to ft h ew a t e rt e m p e r a t u r ec h a n g ec o n d i t i o n t h i sw i l lc a u s et h ed e s t r u c t i o no ft h er o a d b e d a n ds u r f a c e i no r d e rt og u a r a n t e et h a tr o a d b e di n t e n s i t ya n ds t a b i l i t y i ti sn e c e s s a r yt oc o n d u c t t h er e s e a r c ht ot h er o a d b e dd i s t o r t i o nc o n d i t i o n t h i sh a st h ep r a c t i c a la n dt h et h e o r y s i g n i f i c a n c et ot h er o a d b e dp a v e m e n td e s i g n t h i sa r t i c l ec a r r i e so u tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h er o a d b e dd i s t o r t i o ns i t u a t i o ni nt h e s e a s o n a lf r e e z i n gr e g i o nt h r o u g ht h em e t h o dw h i c hb o n dt h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n dt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s 1 t h i sp a p e rs t a c k st h em e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n ss u c ha ss o l a rr a d i a t i o na n dt e m p e r a t u r e o fi ia n di i ik i n do fb o u n d a r yc o n d i t i o n h a v ee s t a b l i s h e df i n i t ee l e m e n ta n a l y t i c a lm o d e l w h i c hc o m p a n yb yt h ep h a s ec h a n g eo fr o a d b e dt h a ti sn o ts t a b l et e m p e r a t u r ef i e l d a n di ti s s t u d i e dt h a tr o a d b e dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o ni ns e a s o n a lf r e e z i n ga r e a 2 a c c o r d i n gt ot h es o u r c eo fm o i s t u r ei nn a t u r a le n v i r o n m e n t h a v ep a r t l ye s t a b l i s h e dt h e m o d e lo fr a i n f a l li n f i l t r a t i o na n dt h eu n d e r g r o u n dw a t e rg r o w t hw h i c hc a nt r u l yr e f l e cr o a d b e d m o i s t u r es o u r c e a n dh a v ea n a l y s e dt h em o i s t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o nl a wb a s e do nt h i sm o d e l 3 i th a dc a r r i e do u td i f f e r e n tw a t e rc o n t e n ts u b g r a d es o i lr b o u n dm o d u l et e s tu n d e r d i f f e r e n tt h a w f r e e z ec y c l en u m b e r a n a l y z e dt h er e l a t i o n so fr b o u n dm o d u l ea n dt h ew a t e r c o n t e n ta n dt h et h a w f r e e z ec y c l en u m b e ro ft i m e s a n di ti su n i f i e dt h e o r ya n a l y s i so ft h e t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h em o i s t u r ec o n t e n tf i e l d a l s os t u d i e dt h ei n f l u e n c eo ft h ew a t e r t e m p e r a t u r ec o n d i t i o no nt h er o a d b e ds t r e n g t h 4 i ti sb a s e do nc a l c u l a t i o nm o d e lo ft h eu n s t e a d yt e m p e r a t u r es i n g l e f i e l da n dm o i s t u r e s i n g l e f i e l d p r o p o s e dd i s p l a c e m e n tf i e l dc a l c u l a t i o nm o d e la n dt h ec a l c u l a t i o nf l o wi n t h e s e a s o n a lf r e e z i n gr e g i o n i th a sa l s oa n a l y z e dt h ed i s p l a c e m e n tf i e l dc h a n g eo ft h er o a d b e di n t h ef r e e z e da n dt h em e l t e dp r o c e s so ft h ei n f l u e n c eo ft h et e m p e r a t u r e t h em o i s t u r ec o n t e n t t h i sa r t i c l e sr e s u l t sw h i c hi sb e n e f i c i a lt ot h eq u a n t i f i c a t i o na n a l y s i so ft h ef r o s th e a v e a n dt h a wc o l l a p s ei nt h er o a d b e d i ti sp r o v i d e dt h et h e o r e t i c a lb a s i so nt h er o a d b e dd i s t o r t i o n r e s e a r c hi nt h es e a s o n a lf r e e z i n gr e g i o na n da l s op r o v i d e dt h ef u r t h e rs t u d yo nt h ec o u p l i n go f t h eh e a t m o i s t u r e s t r e s sf i e l d k e y w o r d s s u b g r a d e t e m p e r a t u r ef i e l d m o i s t u r ef i e l d s t r e s sf i e l d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n f r o s th e a v e t h a wc o l l a p s e 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行研究工 作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 z 珊年口6 月 弓日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属学 校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利等权 利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 导师签名 z 试岍 矽年d 6 月d 多日 砂7 年多月乡日 长安大学硕上学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 季节性冰冻地区四季分明 冬季气温较低 且负温持续时间较长 地表冻结深度较 大 路基中水分含量在 年之内随季节发生着有规律变化 特别是在冬季负温的影响下 路基上层水分积聚 使某些地区道路形成不同程度的冻胀与翻浆 这严重影响了行车舒 适性与道路通行能力 且使道路的使用寿命大大缩短 调查研究表明 冻胀形成的纵向裂缝 道路翻浆导致的沉陷及冻融后路基的不均匀 变形是季节冻土区公路路基病害的主要形式 地下水是导致路基冻害的最积极活跃的因 素 它不仅侵袭软化路基 增加其冻胀 而且侵袭防冻砂砾层甚至底基层 使其失去防 冻作用和辅助承载作用 致使道路翻浆破坏 在冻结作用下 水分随着不均匀温度场的 不均匀迁移 而引起的路基强度不均匀变化 所导致的路基不均匀变形已成为路面结构 早期破坏的重要原因之一 地球上大部分中纬度地区受季节性冻融作用的影响 我国幅员辽阔 季节冻土分布 面积广阔 由图1 可知 季节冻土遍布在不连续多年冻土的外围地区 主要分布于北 纬3 0 以北的地区 东北 华北 西北 内蒙古等地区 面积为5 1 3 7 1 0 4 k m 2 约占 全国国土面积的5 3 5 其冻结深度由南至北 由低海拔向高海拔区增厚 最大达3 m 左右 1 1 季节性冰冻地区道路常出现冻胀 翻浆及沉陷等现象 因地制宜的选择合理 有效的施工控制和处治措施 是解决季节性冰冻地区道路病害的关键 了解路基内部水 热变化状况及其所影响的路基强度变化规律是季节性冰冻地区道路建设和发展的需要 兰兰 兰 兰 竺兰 兰兰 兰兰 三 囊 夫奎 一 一 毒二 一 鑫 天 一 山 警 峨毫 皇 仙 一 一 一一 一 i 一一 算 妻aj a i 蒜莓 一 o 孓耋娶曼区 j j i o r o 一一 z 一 r 一 2 型 一 一二二二 一一一一一 图1 1 我国冻土分布略图 目前我国对多年冻土的研究比较深入系统 研究成果也较成熟 交通部门 铁道部 门等的规程规范中对多年冻土的设计 施工已有专门的规定 中国科学院冻土研究所等 第一章绪论 机构 也着重对永久性冻土的结构关系和工程特性进行了大量的研究 青藏公路的建设 和运营也对永久性冻土的工程特性研究和处理措施尤其是环境保护方面提供了大量的 经验 而季节冻土是区别于一般土类的特殊工程性质的土 其土性与温度和湿度密切相 关 力学性能也随之表现为动态特性 虽然我国在上个世纪6 0 年代对于季节性冻土进 行了比较系统的研究 并取得了一些丰硕的成果 对季节性冻土区域的分布 基本特征 物理性质 以及对工程的影响都有一定的理解 但由于当时的经济水平和研究条件 很 多理论问题尚未得到充分研究 在研究手段上 室内模型试验也很少 理论计算和分析 也不充分 我国现行的路基设计规范中对季节性冻土地区路基设计中应注意的问题提到 的内容更少 只粗略提及一些处理方法 注意事项等 季节性冰冻地区道路路基的很多 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 设计大多处于经验 设计状态 缺乏理论依据和定量结论 研究表明 土体中的热状况 水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起 冻害及融沉的主要因素 土体中的温度场 水分场及应力场的相互作用是一个极其复杂 的热力学 物理化学和力学的综合问题 土体冻胀 融沉过程受控于土体中的温度场 水分场及其变化规律 本质是冻土多孔介质中土骨架 冰晶体 未冻水这三种物质在温 度 土水势 压力与变形等外界因素作用下的相互运动 迁移 扩散与相变 因此 正确认识季节冻土的性质 了解冻融过程中路基温度 水分及应力的变化状 况 是防治冻胀和融沉的先决条件 对季节性冰冻地区路基设计具有重大的指导意义 围绕温度场 水分场及其变化所导致的路基位移场变化来处治路基病害 是我国季节性 冰冻地区工程建设和发展的保证 研究路基冻胀和融沉是开展更为符合实际情况的水热 力三场耦合研究的基础 1 2 国内外研究现状 1 2 1 温度场 水分场及应力场模型研究现状 土体内温度场 水分场及应力场变化规律一直是国际上的热门话题 1 温度场研究 冻结土体温度场的研究已有1 7 0 余年的历史 1 8 9 0 年俄国成立了冻土研究委员会 对冻土地区的工程问题展开初步的研究 s t e f a n 1 8 9 0 1 1 l 首次用共扼变量法解出了含相交 一维初值问题的动态解 开创了寒区冻土热动力学的研究 但是并没有真正地运用于工 2 长安大学硕上学位论文 程实际 但直至上世纪7 0 年代后期 随着计算机和数值方法在前苏联冻土领域的广泛 应用 使得温度场的研究在复杂的边界条件 地质条件及考虑非线性方面在深度和广度 上有了新的发展 苏联数学物理学家 e bq 7 ih 1 9 7 3 t 1 用变量交换求得了 4 4 i b r 类型边值问 题的解析解 成为在动态边值条件下求解冻土温度场的里程碑 在北美 西北欧等其它 国家和地区亦于上个世纪7 0 年代后相继进入温度场的研究高潮 b o n a i c i n a c 和 f a s a n a a 1 9 7 3 1 2 求得了一维非线性温度场的数值解 f r e m o n d 1 9 9 1 3 对正冻土的热力 学性质进行了初步描述 l u n a r d i n i 1 9 9 1 1 4 l 对正冻土融土中的热传导进行了系统地分析 但该类模型只适用于土中冻结温度附近的一个有限温度范围 对于较低负温下模型适用 性尚未得到验证 该模型仍在发展之中 目前尚无法在工程中应用 我国温度场研究起步较晚 最早见于1 9 5 8 年出版的 多年冻土的工程地质和铁路 研究 一书 它详细的介绍了东北多年冻土地区铁路建设的总结经验 而后郭兰波 1 9 8 1 5 1 丁德文 1 9 8 3 6 j 相继提出非线性相变温度场的数值差分格式及计算方法 随着有限 元数值方法发展 上个世纪9 0 年代 以有限元方法求解温度场成为一种研究趋势 长 安大学冻土课题组 2 0 0 0 i r l1 8 提出在考虑在温度季节变化 太阳辐射 地面有效辐射等 因素下 以有限元法求解冻土路基温度场的计算方法 取得了一些较有意义的成果 2 水热耦合研究 在研究冻土温度场的同时 冻土科研工作者开始将工作重心转移到冻土水热耦合效 应的研究 p h i l i p 和d ev r i e s 1 9 5 7 1 9 开创了土中水热耦合研究的先河 他们基于多质中 液态水粘性流动及热平衡原理 提出了水热耦合迁移模型 这个模型考虑了温度梯度对 水分迁移的影响 水的相变及水分对温度的影响 h a r l a n r l 1 9 7 3 1 1 0 提出考虑水分迁 移和冰水相变问题的一维非线性形式的h a r l a n 模型 该建立了热流及水流方程 可研究 正冻土中伴随冻结锋面前移 温度梯度变化条件下水分迁移量随时间的变化 为研究冻 土内部水热耦合效应提供了新的方法 t a y l o r l u t h i n 1 9 7 8 1 1 1 提出了考虑冻土内水分迁 移及含冰量变化的一维非稳态非线性方程 应用h a r l a n 模型及t a y l o r l u t h i n 模型 可 以解释一维水分迁移现象 尤其是对一维未冻水的迁移模拟计算较为成功 f u k u d a 1 9 8 2 1 2 l g u y m o n 1 9 8 0 1 9 9 4 1 3 等学者在非饱和土中水分迁移与非完全冻结土中的水分迁 移理论分析基础上提出考虑冻土中热质迁移与水分迁移情况下各自的模型 国内对冻土水热耦合迁移问题的研究起步较晚 安维东 1 9 8 5 1 4 用有限差分法计算 二维饱和状态下的温度水分场 杨诗秀 1 9 8 8 1 5 采用机理模型模拟了水平 垂直土柱的 3 第一章绪论 冻结过程 并定性地分析了土中初始含水量对土冻胀量的影响 提出冻土一维状况下的 水热耦合的差分解 陈肖柏 1 9 9 0 1 1 6 采用预报一校j 下的有限差分格式对其进行时间尺度 达1 0 0 多天的数值模拟计算 结果与野外实测资料较为相近 李述训 1 9 9 4 1 1 7 1 对土壤在 冻结与融化过程中的水分和热量运输进行过数值模拟 此外 尚松浩 1 9 9 7 1 8 考虑饱和 一非饱和土壤水迁移 采用混合型r i c h a r d s 方程 在求解过程中采用修正的p i c a r d s 迭 代方法 模拟了动水位条件下土壤水耦合迁移规律 郑秀清 2 0 0 1 1 9 采用包括汽态水迁 移和热对流迁移的水热耦合数值模拟模型 模拟天然条件下土的季节性冻融过程以及其 中的水热迁移规律 取得较好的结果 3 水 热 力三场耦合研究 目前国内外对于水 热 力三场耦合的研究仍停留在试验探索阶段与简单模型阶段 研究工作大多停留在实验探索阶段 理论上不太成熟 a b o u s t i t 1 9 8 2 2 0 l 较早研究了弹性 多孔介质中不计水的压缩性 膨胀性时固液热耦合变分原理 m c t i g u e 1 9 8 3 2 1 l 提出了有 不同热膨胀性的固液热三场耦合理论 但忽略了介质的热传导性 r i s h e d 1 9 8 5 1 2 1 等首 次提出了饱和裂隙介质 岩体 的固液热耦合方程 在我国 中国科学院兰州冰川冻土研究所 1 9 8 9 2 2 对冻结过程中土中水分 温度 应力场问题进行了研究 任瑞波 1 9 9 9 2 3 l 根据傅里叶定律和达西水分传导定律导出了潮 湿路基温度场与湿度场耦合作用的一维计算模型 将冻土区与未冻土区统一起来 利用 显热容法处理了冻土复杂的相变问题 毛雪松 2 0 0 4 2 4 l 以多年冻土地区路基非稳态温度 场控制方程 水分迁移的有限元控制方程和路基变形场及应力场的计算模型为基础 结 合单场及两场的耦合相应分析 进一步研究三场耦合效应的模型及其变化规律 且与实 际规律较为符合 李宁 2 0 0 6 1 2 5 l 建立了全面考虑冻土中骨架 冰 水 气四项介质水 热 力与变形耦合作用的数理方程 并在引进国外大型岩土工程分析软件的平台上 开 发出了饱和与非饱和冻土介质温度场 水分场 变形场三场耦合问题的有限元分析软件 朱志武 2 0 0 7 2 6 利用自行开发的程序进行数值模拟 加入推出的本构关系和所建立的数 学力学模型 通过对冻土路基水分场 温度场 应力场三场的数值计算结果分析 得到 了准确 详尽的符合实际的温度场与应力场 位移场 应变场耦合的计算结果 1 2 2 冻融循环条件下路基强度试验研究现状 在2 0 世纪9 0 年代 国外对反复冻融作用条件下土体力学参数进行了一系列的研究 b e r g l s r 1 9 9 6 2 7 1 等对几种不同的细粒土和粗粒土在冻融循环条件下的回弹模量进行 4 长安大学硕士学位论文 了研究 结果表明 在温度低于 2 时 土的回弹模量相对于融土增大2 3 个数量级 就未冻土而言 含水量影响着回弹模量 但其程度却依赖于土的类型 v a n b o c h o v e e r i c 2 0 0 0 2 8 等认为冻融循环改变了粉质粘土的物理和生物结构 m a r i a h o h m a n n 2 0 0 2 1 2 9 1 认为粘聚力受冻融影响是很大的 h o o p e r f r e d p 2 0 0 4 3 0 及 p o d g o m e y r o b e r tk 2 0 0 6 1 3 1 j 等认为长期冻融使土体的性能退化 我国于上个世纪6 0 年代开始研究冻土强度 并于上个世纪7 0 年代系统地进行了冻 土强度和蠕变研究 但理论一直不太成熟 从1 9 8 0 年开始 吴紫汪 马巍等围绕不同 围压下冻土三轴抗剪强度特性做了一系列的试验研究 得出冻土的抗剪强度随围压的增 大而增大的结论 朱强 1 9 8 3 安维东 1 9 8 5 胡永祯 1 9 8 5 3 4 等对渠道的冻融与衬砌进 行了大量的试验 3 2 3 3 1 1 9 8 9 年黑龙江交通科学研究所为解决季节冻土区公路桥涵地基 土体冻胀引起的工程问题 进行了大量室内试验 国内 对于反复冻融作用的研究开展 较晚 罗d l 罨u 陈湘生等 2 0 0 0 3 5 l 进行了冻融对土工参数影响的试验研究 在典型粘土 冻融试验的基础上 分析了冻融对土工性质如孔隙率 渗透性 压缩性及无侧限抗压强 度等的影响 杨平 张婷 2 0 0 2 3 5 等对人工冻融土物理力学性能进行了研究 结果表明 粘土冻融后无侧限抗压强度是原状土的1 3 1 2 灵敏度降低 1 2 3 冻胀融沉的研究现状 早在1 7 世纪后期 3 6 l 人们就已经注意到冻胀现象 但是直到2 0 世纪1 3 7 1 人们才逐 渐认识到水分迁移作用是导致土体冻胀的主要根源 e v e r e t t 1 9 6 1 1 3 8 首先提出了第一冻 胀理论即毛细理论 然而 毛细理论却不能解释不连续冰透镜是如何形成的 并且该理 论低估了细颗粒土中的冻胀压力 认识到毛细理论的不足之处 m i l l e r 1 9 7 2 3 9 提出在 冻结锋面和最暖冰透镜底面存在一个低含水量 低导湿率和无冻胀的带 称为冻结缘 冻结缘理论克服了毛细理论的不足 称为第二冻胀理论 a k a g a w a 提出了静态冻胀控制 理论并通过试验予以验证 美国学者 r g j l j l u n a r d 研究了地面温度线性增高情况下冻 土融化 n e u m a n 解使用了当量地面温度 对总的冻结 融化深度给出可信结果 但对 中间过程预报误差较大 中国的徐学祖提出了分析解 并与n e u m a n 解预报结果作了对 比 指出当斯蒂芬数增大时 融化带随时间的变化呈非线性增大 日本学者y o s h i k jm i y a t a 基于水分迁移 热量输运和机械能平衡方程提出宏观冻胀理论 t i s h i z a k j 开展了冻融作 用对文物破坏的研究 采用摄像系统对冰分凝及破坏过程进行动态监测 提出了简化的 冻结缘未冻水流模式m 5 第一章绪论 t 正 1 9 9 9 1 4 1 曾对正交各向异性冻土与建筑物的相互作用进行过非线性有限元分析 获得其应力场 位移场及冻土与扩大墙基之间的各种作用力 将冻土与建筑物视为一个 整体 应用非线性有限单元法按大体积超静定结构温度应力的计算方法来研究正交各向 异性的冻土与各向同性的建筑物之间的相互作用 建立一种通用的数值计算方法 李洪 升等 1 9 9 9 1 4 2 l 4 3 1 在分析冻胀形成原因的基础上 提出了一维条件下土体冻胀量计算的算 法 该算法考虑了水分迁移 热传导和约束压力之间的耦合作用 同时基于季节冻土的 水分场 温度场和外荷载的相互关系 提出了考虑水分迁移 热质扩散和外荷载相互作 用的冻胀预报模式 可以预测预报冻土的冻胀量大小与发展过程 李述训等 2 0 0 2 删通 过求解古典n e u m a n 问题 研究土壤在冻结和融化过程的热交换特征 从理论上分析了 冻融作用对系统与环境间能量交换的影响 以草炭亚黏土和亚黏土为例 计算了广泛环 境条件下的冻融作用对系统温度变化和与环境间热交换的影响 结果表明 冻融作用使 相应过程表层温度梯度加大 热交换强度增强 侯曙光 2 0 0 5 4 5 应用有限元方法对多年 冻土进行融沉数值模拟 利用土体固结理论进行模型位移的数值计算 比较试验和计算 结果 验证了数值计算方法的可行可信 综上所述 国内外对冻土冻胀及融沉问题研究较多 但对季节性冰冻地区的问题研 究相对较少 特别是从道路工程自身特点出发进行季节性冰冻地区路基冻胀及融沉的研 究较为空白 1 3 主要研究内容及方法 以往大量研究的数值理论分析大多仅局限于多年冻土 本文针对季节冻土 分别建 立温度场 水分场及位移场数值模型 分析在冻结和融化过程中路基位移场的变化情况 其主要研究内容如下 1 路基非稳态温度场研究 基于非稳态温度场有限元方程 结合季节性冰冻地区路基的特点 收集季节冻土区 气象资料并加以分析 整理 考虑路基在风速及太阳辐射等气象要素 即在第u 类 第 1 i i 类混合边界条件之下 考虑路基冻融的相变过程 运用有限元软件并用f o r t r a n 语言进行二次开发 分析季节性冰冻地区路基温度场变化规律 2 路基水分场研究 在毛细水上升以及降雨入渗条件作用下 建立考虑水力渗透系数特征曲线 土一水 特征曲线的非饱和土有限元计算模型 进行路基水分场数值模拟 得到路基水分场重分 6 长安大学硕上 学位论文 布规律 从而进一步分析路基破坏的机理 3 水温变化对路基强度的影响研究 进行不同含水量的试件在不同冻融循环次数下的回弹模量试验 研究含水量及冻融 循环次数与回弹模量的关系 并结合温度场 水分场理论分析 研究水温状况变化对路 基强度的影响 4 季节性冰冻地区路基位移场研究 以季节性冰冻地区路基非稳态温度场单场及水分单场的计算模型为基础 引入冻胀 率和融沉系数 建立季节性冰冻地区路基位移场模型 从而进一步研究路基位移场变化 规律及路基破坏机理 7 第二章季节性冰冻地区路基冻胀及融沉机理分析 第二章季节性冰冻地区路基冻胀及融沉机理分析 季节性冰冻地区路基 冬季某些路段由于大气温度下降 在地表与大气的热交换过 程中 不断丧失热量 土体温度降到土中水的结晶点 土体发生冻结 形成冻胀 导致 路面胀裂 又由于土中热状况及水分迁移的不均匀 产生不均匀冻胀 产生隆胀 开裂 倾斜等破坏现象 对路面危害极大 在春季 一方面 膨胀段融化下沉 化冻水分不能 及时排出 路基土潮湿软弱 路基土强度降低 经行车碾压后 使道路发生翻浆下沉及 错台 唧泥等现象 另一方面 在冻结的过程中 由于水分迁移的不均匀 使融化后路 基各处含水量的不均匀 造成强度的不均匀 路面结构发生不均匀支撑 路面的破坏将 更为严重 2 1 冻胀分析 2 1 1 冻胀机理 路基土在冻结时 体积膨胀 隆起成丘 土层发生冻胀的原因不仅仅是因为水冻结 成冰的体积要增大9 更主要的原因在于土层冻结时 周围未冻土层中水分会向冻结 区集聚 导致冻结区土层水分增加 冻结后的冰晶体不断增大 形成冰透镜体及冰夹层 等形式的冰侵入体 导致土体体积膨胀 引起附加的应力和变形 即产生冻胀 相关试 验研究表明 4 6 1 当土体一部分温度降低 发生冻结时 附近温度较高而尚未冻结的其它 部分土壤里的水分 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 壤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 于是发生土壤水分向冻结区的聚流现象 在土壤中的毛细水也是在冷处比在热处具 有更大的表面张力 气态水也是在土壤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 所以 当冬天路基表层土壤开始冻结的时候 下部尚未发生冻结的土体中的水分就 向已冻结的路基上层聚集 导致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 路基土壤暂时不再向下冻结 于是冻结线以下的未冻土壤里的水分 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 于是冻结线附近就会聚集大量水分 并冻结成一个相当厚的聚 冰层 由于土质水分迁移的不均匀 路基土的不均匀冻胀会使路基隆起 使沥青路面鼓 8 长安大学硕士学位论文 包 开裂 使水泥路面错缝 折断 2 1 2 冻胀影响因素 负温度与水的共同作用 往往给路面和路基带来不利的影响 在自然条件下 土 水 温度和行车载荷的共同作用则是引起道路冻胀的四大因素 4 7 1 1 土的影响 一般而言 粉质土是最容易产生冻害的土 因为这种土的毛细水上升较高且快 由 于温差发生的温度聚流作用特别严重 土体强度降低快 失去稳定性 且土壤颗粒细 渗水性差 化冻后水分不易排出 粘质土在不良条件下 如地下水位很高 或路基两侧 表面积水等 也可能发生严重冻害 1 土的粒度组成 土粒的大小能够反映其土粒表面力场的强弱 土颗粒由大变小 其表面积由小变大 其比表面积越大 与水相互作用的能量越高 土中孔隙直径越小 毛细作用越强烈 在 土体冻结过程中水分迁移的能力也就越强 而冻胀量也就越大 土的粒度对冻胀性有着 显著影响 2 土的矿物成分 土粒是由固体矿物颗粒组成 原生矿物是粗粒土的主要成分 如石英 长石 云母 等 组成孔隙粗大 毛细作用小 不具冻胀性 而细粒土的主要矿物成分是次生矿物 亲水性强 如粘土矿物 粘土矿物对粘性土冻胀性的影响 很大程度上取决于矿物表面 活动性 其中典型的蒙脱石组粘土矿物 伊利石组粘土矿物 高岑石组粘土矿物 研究 表明 其组成土的孔隙小 毛细作用强烈 尤其是高岑石类的粘性土 冻胀较为强烈 3 土体的密实度 随着土的密实度增加 土体的孔隙会减小 在含水量不变的条件下 干重度小的土 体冻结时 因松散排列的土颗粒有充分的孔隙空间使其内的冰可自由膨胀 故土体的冻 胀性很弱 而随着土体的干重度增大 紧密排列的土颗粒中自由水很容易充满土孔隙空 间 饱和度增加 土体的冻胀性增强 研究表明 土体的密实度对土体的冻结速度也是 有影响的 当土体饱和度不变时 土体密度的增加导致单位体积骨架土粒数量增加 孔 隙减少 导热系数加大 则冻结速度加快 而当土体密度一定时 随着饱和度的增加 土中水分增加 冻结过程中相变潜热增加 使冻结速率降低 2 温度的影响 9 第一二章季节性冰冻地区路基冻胀及融沉机理分析 土体冻结过程 实际上是土中温度变化的过程 土体的冻结温度取决于土体的颗粒 分散度 含水量 颗粒的矿物成分和水溶液的浓度 同一土质条件下 土体的冻结温度 随着含水量的增大而增高 在任何负温下 土体总保持一定的未冻水含量 这些特性直 接影响着冻胀特性 在封闭系统中 土体水分随负温增大不断冻结 未冻水含量减少 含冰量增大 土体积增大 因而土体的冻胀率随着土体的温度降低而增大 对于不同土 质的土体 虽然冻胀率不同 但随温度变化的规律相似 冻结速度也影响着土体的冻胀性 冻结锋面在土体中的移动速度反应了土中某一瞬 间冻结锋面的热平衡状态 当冻结锋面通过己冻区向上传递的热量大于未冻区通过热传 导传递上来的热量和在冻结锋面上水的相变潜热时 说明某时刻内冻结锋面上冰析出量 少 冻结速度快 冻胀量小 相反 则冻胀量大 在同一温度条件下 土体的冻结速度 取决于土中含水量和冰析出率 以及土体的密度 导热系数等 就路基而言 冻胀量大小和冻结线向土基推进速度与气温下降速度有直接关系 气 温骤降且冷却强度很大时 土的冻结迅速向下推移 即冻结速度很快 这时候 土中弱 结合水及毛细水来不及向冻结区迁移就在原地冻结成冰 毛细通道也被冰晶体所堵塞 这样水分迁移和积聚不会发生 在土层中看不到冰夹层 只有散布于土孔隙中的冰晶体 这时冻土无明显冻胀 如果气温下降缓慢 冷却强度较小 但负温持续时间较长 就会 促使未冻水不断的向冻结区迁移积聚 在土体中出现冰夹层 从而产生明显的冻胀现象 3 水的影响 如前所述 土体发生冻胀的主要原因是水分的迁移和集聚 不同的土质其冻胀敏感 性也不尽相同 没有适当的水分条件 土冻结时的冻胀现象是不可能发生的 在自然界 中路基的水分状态受到降水 地下水位 地表水流等的影响 地下水位对冻胀的影响尤 为强烈 当冻结区附近地下水水位较高 毛细水上升高度能够达到或接近冻结线 冻结 区能得到水源的补给时 将会发生比较强烈的冻胀 工程实践证明 只有土中水分超过一定界限之后才会产生冻胀 在外界条件相同的 情况下 土体含水量越高 其冻胀的强度也就越大 此外 在没有外界水源补给的封闭 系统中 由于水分迁移受到了限制 冻胀达到一定量时就不再增长 而在有水源补给的 开放系统中 只要条件适宜 冻胀就会持续增长 4 荷载的影响 荷载的增加会对土体的冻胀产生抑制作用 首先 土层上覆的附加荷载 包括某层 之上的土重在内 使土层脱水压缩固结 增加了相应的密实度 改变土中导湿率 从 1 0 长安大学硕士学位论文 而影响水分迁移速率 荷载的增加同时会使得土体的冻结温度降低 要继续维持土体的 冻结状态 则需要更低的冻结温度 其次 外部压力的作用会引起土体内水分的重分布 资料表明 增加土体外部荷载会对土体的冻胀产生明显的抑制作用 土体外部压力增加 从而增大了颗粒间接触应力 降低了土体冻结点 进一步影响着土中水分相态转化 在 外荷载的作用下 会抑制未冻土中水分向冻结锋面的迁移量 也就是会影响水分迁移的 抽吸力 虽然外荷载对土体冻胀有 定的抑制作用 但要终止土体的冻胀 需要相当大 的外部压力 这个终止压力又根据土类不同而相差很大 土颗粒越细 需要的终止压力 就越大 2 2 融沉分析 2 2 1 融沉机理 与冻胀相比 对路基危害更大的是路基土融化期 当气温转暖 冻结的路基土层将 融化 其中的冰晶体融化成水后体积变小 并在自重在内的荷载作用下 产生固结而出 现沉降 另一方面 路表层开始向下融化 路面下的土基融解速度快 由于上部土体已 经开始融化 而下部却仍处于冻结状态 这样未融化的土层便起到隔水层的作用 融化 了的水分不能及时下渗 也不能向两侧排除 集聚在路面下和未融化那部分路基土之间 加上土的受荷作用 产生过量的孔隙水压力 路基强度大幅降低 在车辆反复碾压下 路面会变得松软 影响行车舒适性 更为严重的是 会导致路面开裂 唧泥现象 从而 使路面完全破坏 因此 融解弱化是冰冻作用危害较强的阶段 此阶段与冻胀阶段相比 同样是很复杂的 2 2 2 融沉的影响因素 影响融沉的主要因素有 土体本身 冷生构造以及荷载 纷q 9 1 1 土的影响 1 土体含水量 土体含水量的大小是影响冻土融沉的关键因素 其含水量包括冻结土体中的未冻水 和孔隙冰两个部分 各部分所占比重的大小视冻土的负温甫定 体积含冰量较大的富冰 冻土融化时常产生突发性下沉变形 而含冰量较少的贫冰冻土融沉时基本不会产生较大 变形 研究表明 融沉系数与含水量间的关系非常密切 在允许自由排水条件下 融沉 系数随含水量的增加而急剧增加 2 土的干容重 第二章季节性冰冻地区路龋冻胀及融沉机理分析 干容重对融沉的影响从另一方面体现了含水量对融沉的影响 含水量较小时 干密 度相对较大 土体中孔隙体积较小 这样的冻结土体在融沉过程中不会产生较大的沉降 变形 而在冻土含水量较大的情况下 冻土的干密度较小 土体中孔隙体积相对较大 该类冻土则在荷载的作用下会产生较大的沉降压缩变形 2 冷生构造的影响 冻结土体的融沉与其在冻结过程中所形成结构有关 其结构对土的融化沉降及压密 沉降有着直接的影响 通常呈整体状构造的冻土 产生的融沉一般不大 而冻结时呈层 状或网状构造的冻土一般在融沉过程中会产生较大的沉降变形 3 荷载的影响 荷载对融沉的影响主要体现在融土的固结过程 随着冻土中冰的融化 融土中含水 量会逐渐增大 形成超静孔隙水压力 试验表明 融土在较大的荷载作用下 孔隙水压 力会加速消散 随着融土中孔隙水的排出 孔隙的压密 融土将产生较大的压缩沉降 外部荷载的作用使得土体进一步发生压密及固结作用 引起土体在融化时沉降量的增 加 2 3 小结 本章通过分析季节性冰冻地区路基冻胀及融沉机理 得出以下结论 1 季节性冰冻地区路基冻胀及融沉与土质 密度 含水量 温度及荷载密切相关 而温度与含水量是影响冻胀 融沉破坏程度的主导因素 2 土体的热参数 水分运动参数及土体强度都随着冻胀和融沉的产生而不断的变 化 冻胀及融沉的过程实际上也就是水发生相变的过程 在水发生相变的过程中 土的 各项物理参数都会发生变化 特别是土体的强度 在冻结过程中 土体强度由于水冻结 成冰 强度陡增 在融化过程中 由于土体中冰变为水 而不能及时排出 使土体强度 降低 3 进行路基温度场 水分场及位移场的研究时 应着重考虑影响冻胀 融沉的因 素 这便于更准确的选取所需的参数 更好的确定对各场影响较强烈的边界条件 从而 使模型更符合实际情况 长安人学硕十学位论文 第三章季节冰冻地区路基温度场研究 季节性冰冻地区四季分明 冬季气温低 且昼夜温差大 外界温度对路基的影响是 不容忽视的 路基温度随着不断发生周期性变化的外界温度而发生变化 土体发生季节 性冻结和融化 并伴随发生各种冻土现象 进而可能诱发路基不均匀变形 冻融开裂 冻胀翻浆 波浪 坑槽 松散和局部沉陷 纵裂和横裂等路基病害 为了控制 减少和 治理季节性冰冻地区路基中的病害 应深入研究路基冻融过程中温度场的变化趋势 为 水热力耦合研究提供一个理论基础 3 1 路基非稳态温度场基本理论 3 1 1 路基非稳态温度场的控制方程 路基是空间的三维带状构造物 视其长度方向无限大 则可将其简化为平面问题 根据热力学理论 平面二维问题非稳态温度场的导热偏微分方程如下 5 0 一ot 去 窑 一i 窑 4 ot p c o xa y 为k 3 1 一兰一 i p zz 7 式中 z 一物体的瞬态温度 f 一过程进行的时间 s k 一材料的导热系数 w m p 材料的密度 k g m 3 c 一材料的定压比热 j k g 吼一材料的内热源强度 w m 3 x y 一直角坐标 m 3 1 2 伴有相变的路基非稳态温度场的控制方程 随着自然界季节的交替 气温的升降 冻土路基中的水分经历了冻融循环 这就使 冻土路基中的水分跨越相变区间 形成了伴有相变的非稳态导热问题 采用显热容法 固 相增量法1 模型对于相变进行处理 则伴随有相变的平面非稳态导热微分方程为 2 4 1 p c 詈 夏a ka 批r 嘉 七詈 留 肚鲁 3 2 1 3 第三章季节性冰冻地区路基温度场研究 在非相变区内 兽 o 则式 3 2 转变为通常的导热微分方程 其中 正为固相 c t t 率 固相率的增加 或减小 与相变潜热的释放 或吸收 量成正比 丘的表达式为 疋 w 互一丁 瓦一五 3 3 式中 睨一未冻水的体积含水量 乏 五一分别为融化及冻结温度 z 一相变区内节点温度 丘一该节点的固相率 式中工为土体冻结或融化相变潜热 3 1 3 路基温度场的影晌因素 影响路基温度场变化的因素是极其复杂的 主要表现在以下三方面 1 环境因素 路基裸露于自然环境之中 经受周期性变化的气候条件的作用 影响路基温度场的 主要环境因素有 气温 辐射 风速等 这些因素与路基之间进行能量交换 使得路基 温度场也呈现周期性变化 1 气温 气温是很重要的能量指标 表征的是降水 蒸发 云量及风等的综合指标 气温变 化受海拔和纬度的影响 它会直接影响到冻土区路基的热稳定性 影响路基的温度场状 况 2 太阳辐射 太阳辐射是影响冻土及路基稳定性的重要因素 是路基与环境进行能量交换的重要 方式 太阳辐射的大小与地理位置 季节 天气状况等紧密相关 地理纬度越低 日累 计总辐射量就越大 日出时间越早 太阳辐射最大强度出现的时间也就越早 晴天时夏 季日 月总辐射量远大于冬季的相应值 3 风速与风向 风速直接影响的是路基边界与大气的对流热交换系数 这将影响路基与环境的热交 换效率与状况 风向也与大气的对热交换相关 风的走向使路基两边坡与大气的对热交 换左右不均匀 这也是造成路基存在阴阳坡面的直接原因 1 4 长安火学硕士学位论文 2 土质特性 土质特性是影响路基温度场的另一个重要因素 主要包括该种土的导热系数 比热 容等 这些参数与路基材料的导热性能密切相关 1 导热系数 有关研究表明 导热系数均随干容重增大而增大 这是因为密度增大 单位体积土 中矿物骨架数量增多 孔隙减少 且矿物骨架的导热系数远远大于汽相充填物的导热系 数 所以导热系数增大 干密度相同时 土的导热系数随总含水量的增大而增大 2 比热容 土体的比热容与土干容重 有机质含量 矿物成分 含水量等因素有关 通常认为 土固相物质的组成相对稳定 空