为了研究多年冻土区低温施工环境对路面压实度的影响,确定其与路面现有病害间的关系,在实验室中进行了不同工况下的马歇尔试验,系统研究了压实度与成型温度、击实遍数的关系,建立沥青混合料细观有限元模型,以实测气温、风速作为计算边界条件,模拟高寒、高海拔多年冻土地区施工期内混合料温度场分布。结果表明:低温施工环境使混合料局部出现不可压实区域,对后期路面病害产生和发展形成隐患;与传统模型相比,混合料细观模型可针对温度敏感型胶浆材料进行分析,反映其温度分布状况对路面压实度影响;以100℃,120℃作为二级路、一级路及高速路最低压实温度,提出不同工况下路面的有效碾压时间,为路面施工及养护作业施工组织设计提供依据。

建立了多年冻土路基温度场的三维数值计算模型,并采用有限元方法对普通路基、热棒路基在未来50年内气温上升2.6℃情况下的温度场进行了预报分析和比较,研究中考虑了路基阴阳坡差异,并以现场实测地温数据为依据。计算结果表明:路基阴阳坡的热差异会导致路基下伏土层温度场不对称,由此可引起路基横向的不均匀变形;在气温升高条件下,未来50年内普通路基将会产生较大融沉变形,不能保证路基的长期稳定性,加热棒后的路基融化深度均小于普通填土路基的融化深度,阴阳坡温度差异也有明显降低,说明热棒结构路基可以抵消气候变暖的影响,从而可以保证路基的稳定性。

根据季节性冻土的特点,通过假设及简化后利用有限元方法对季节冻土区的渠道基土的冻胀及受力进行数值计算,获得渠基土及刚性衬砌层的温度、应力和位移变化情况,其中衬砌层的应力可作为季节冻土区的刚性衬砌层的结构设计或结构强度的验算的依据。本文计算的结果与实际工程中衬砌层较厚的刚性衬砌渠道的破坏类型符合,即在坡脚处产生裂缝,渠顶宽度变小的破坏情况;合适的材料本构关系及准确的力学和热力学等性质指标是用有限元方法获得较精确计算结果的保障。

根据桩土结构的有限元基本理论,基于ANSYS有限元软件平台,采用三维接触单元建立单桩桩-冻土空间体系的接触模型进行静力分析。提出了模型中关键参数的确定方法,并将模型计算的P-S曲线与试验实测曲线进行比较分析,结果表明曲线吻合较好,证明了模型建立的正确性和参数取值的可行性,为考虑桩-冻土相互作用问题提供一种适合工程应用的分析方法。

借鉴经典欧拉弹性稳定理论,建立了冻土地区自由桩稳定理论的能量方程,再用能量法求解出在冻胀力和冻土抗力作用下桩屈曲临界荷载计算的通用公式。在ANSYS中用离散弹簧单元模拟桩侧冻土的弹性抗力作用,以昆仑山多年冻土地区桩基试验场试验桩为例,进行有限元法求解。两种方法的计算结果吻合较好,最后通过参数分析得出冻土地区影响桩基稳定性的主要因素。

依据弹性地基梁的基本理论,提出了冻土弹簧刚度的计算方法,依托格尔木多年冻土桩基试验场试验桩,采用ANSYS中的实体单元和弹簧单元模拟桩与冻土的相互作用,基于“m”法建立了单桩桩土空间体系的有限元模型,进行轴向静载分析,有限元计算结果与实测值吻合较好,并与RANDOLPH法进行了比较。结果表明:文中提出的土弹簧刚度的计算公式能更好地反映多年冻土区桩土的相互作用效应,证明了该文方法的可行性。最后通过参数分析,给出了格尔木多年冻土区试验桩地质条件下单桩影响半径系数的取值范围,讨论了“m”值及配筋率对单桩Q-S曲线的影响。

采用有限元方法建立了路基发生融沉变形时沥青路面结构的轴对称计算模型,将融沉变形分别简化为二次曲线和余弦曲线,分析了融沉变形对最大拉应力点位的影响,重点讨论了融沉盆形状、半径、融沉深度等因素对沥青路面结构面层和基层最大拉应力的影响。结果表明:路基的不均匀融沉变形在路面结构面层顶面产生拉应力,成为面层破坏的主要原因;在基层底面产生较大的附加应力,将会造成基层开裂,因此在多年冻土地区的路面设计中应考虑附加应力的影响。

从一阶Taylor展开式入手,结合冻土温度场计算有限元法,推导了冻土路基温度场随机有限元方程及有关计算公式,并对青藏铁路北麓河试验段冻土路基温度场进行了随机有限元分析,结果表明温度标准差与温度场的分布趋势大致相同,在垂直方向上,最大值都出现在路基上部,向下逐渐减小,但两者分布范围略有不同,路基内部标准差的分布范围明显较大,在一定深度处达到均化。