针对现有岛状冻土地区冻胀路基的维护技术存在的突出问题,为最大限度地降低利用传统换填材料处治对道路通行能力的影响,研究提出了两种具备良好隔温性能,且能够快速硬化、施工便捷的新型填料。基于可控性低强度材料(CLSM)的高流动性、自填充、自密实特性,对其掺入泡沫颗粒,并通过对两种配合比进行无侧限抗压强度试验、导热系数试验和抗冻融循环试验,确定换填材料的泡沫颗粒的最佳体积比为1%。从技术经济角度出发,提出治理方案为:对沉陷面积不大的区域,采用全厚度换填修复;对沉陷面积较大的区域,采用XPS板+CLSM换填修复。最后通过现场试验段的实施,分析结果表明,本文提出专用于现有岛状冻土地区路基换填的新型材料,能够达到实际的工程应用要求。
隧道工程是防火要求很高的建筑,因此保温材料除了要具备良好的抗冻融性外,还要具备很高的阻燃性能。文中笔者分别对聚氨酯和酚醛泡沫两种保温材料进行分析,首先对这两种材料进行冻融循环实验,然后测试其导热系数;其次根据相似理论研制室内实验装置;最后对各种工况下的情况进行室内模拟,对这种保温材料进行比选,得出设防厚度、设防位置等参数。
以鄂西地区沙子垭隧道为背景,运用传热学和有限元的基本理论,考虑应力场和温度场的耦合影响,建立了应力场和温度场耦合问题的二维数学模型,并应用Galerkin法进行了有限元分析。分析结果表明,温度场对季节性冻土隧道的应力场影响较大,在建设期间应该考虑应力场与温度场的耦合影响。
针对内蒙古自治区根河至满归出口公路一在建桥涵基础,考虑相变、热生成及材料非线性,用有限元法模拟了现浇混凝土中的水化热以及开挖回填等动态施工过程对冻土地基温度场的影响,对基础下设的绝热保温层厚度以及预留边界进行了探讨,预测了未来50年的最大融深,总结了一些有价值的结论。
为解决冻土区输油管道周围土壤的温度计算问题,根据考虑相变瞬态温度场的控制微分方程,应用Galerkin法推导出了二维温度场的有限元计算公式.以东北多年冻土区中俄原油管道工程为背景,根据该工程区的冻土条件和气候条件,应用该方法对温热型输油管道土壤温度场进行了计算预报与对比分析.结果表明:对于输送油温为15℃、直径为0.914 m以及管顶埋深为2.0 m的管道,在没有铺设保温材料情况下,管顶之上的土壤在管道运行的第1年就达到热平衡状态,同时土壤融化速率在第1年达到最大,随后4 a时间里迅速减小,第5年后融化速率变化趋于稳定;管道运行一段时间后,管道周围的融化圈随冷暖季节的变化呈交替式的扩展;在管道运行30 a后,融深>10 m,即管底下的融化层厚>7 m,而在铺设5～8 cm的聚氨酯保温材料后,融深控制在3.08～3.88 m,即管底下融化层厚为0.2～1.0 m.因此,合理使用保温方法能有效防止冻土区管道冻害的发生,同时达到保护冻土环境的目的.
热管-保温材料复合路基是青藏铁路中应用广泛的一种新型路基结构形式.通过数学模型分析,推导出应用于青藏铁路冻土路基中的热管的热流表达式,并用热焓法考虑冻土相变问题,对该路基结构形式及在无保温材料情况下施工20 a后的路基温度场进行数值模拟.数值模拟表明:保温材料能够有效地阻止热量从路基面向下传入地基中,使0℃等温线始终在保温板底层;该路基结构形式为青藏铁路多年冻土区路基的理想结构形式,有利于克服全球变暖的影响.
根据青藏铁路北麓河试验段2年以来的气温降温期的现场监测资料,对多年冻土区保护冻土路堤的3种典型结构型式的试验段(通风管路堤、抛碎石护坡路堤和保温材料路堤)各断面的地温规律进行了分析和积温计算。试验段初步计算结果表明,3种路基结构型式对于保护多年冻土区路堤均能起到一定的作用,为青藏铁路在多年冻土区保护冻土路堤的设计和施工提供了一定的理论依据。
论述了在冻土地带管道工程建设的特殊性,通过对冻土地带冻融过程、规律及对埋地管道影响的分析,指出了冻土地带管道建设遇到的两个主要问题是冻胀破坏和融沉破坏。简要介绍了冻土的分类、特性及国内外冻土地带管道建设的研究情况和防治冻害的措施,归纳总结了冻土地带管道敷设的几种方式以及寒冷地区管道保温材料和技术,对冻土地带管道建设的关键问题进行了讨论,并提出了建议。
青藏铁路风火山隧道现场实测气温和地温资料表明,施工期间隧道衬砌现浇混凝土水化热、冬季施工采取的保温措施以及其他人为活动,造成了该隧道围岩的多年冻土融化较多。考虑水分迁移和冰水相变耦合影响,根据瞬态温度场问题的热量平衡控制微分方程和质量迁移方程,应用伽辽金法推导出了有限元计算公式并编制了计算软件。运用该计算软件对风火山隧道施工期间冻土融化进行了回冻预测分析,分析表明,如果在不铺设保温材料的情况下,隧道的拱顶、左墙以及右墙 3 a 后基本上回冻,而仰拱底到了第 5 a 的 9月 30 日才回冻;如果在铺设了导热系数为 0.03 W/m·K 的保温材料情况下,拱顶 3 a 基本上回冻,左、右墙以及仰拱底到了第 5 a 的 9 月30 日才回冻,所以,保温材料对隧道围岩的回冻起着阻碍作用。在现场观测寒区隧道围岩的温度和应力时,必须考虑施工期间融化圈的影响,且观测时间要长一些,否则,测量的温度和应力与隧道稳定后的温度和应力有较大的差异。
