基于附面层理论,引入焓值建立伴有相变的二维非稳态温度场数值模型,分别对水泥混凝土和沥青两种路面下路基温度场的变化规律进行分析。研究结果表明,水泥混凝土路面下路基温度场明显低于沥青路面,不同深度处路基的温度场变化存在一定的滞后性,随深度的增加路基内温度场比路基基底以下的温度场变化幅度大;路表温度明显低于路基的内部温度,并在路基内部形成融土核;水泥混凝土路面融化深度小于沥青路面,融化速率趋于平稳,因此,在多年冻土区采用水泥混凝土路面比较有利。

为了研究不同路面类型对高温多年冻土区路基的热稳定性的影响,基于温度监测数据,针对沥青混凝土路面和水泥混凝土路面下片块石路基温度、热流密度、热收支变化、冻融循环过程及冻土上限变化进行了详细的分析。发现沥青混凝土路面和水泥混凝土路面都对片块石路基的温度有较大的影响,但沥青混凝土路面影响程度和深度远比水泥混凝土路面大。片块石路基中心热收支量呈上升趋势,沥青混凝土路面下其上升速率大于水泥混凝土路面,且路基阳坡热收支量大于阴坡。无论路面材料为沥青混凝土路面还是水泥混凝土路面,片块石路基阴阳坡路肩冻土仍处于不断退化阶段,而阳坡冻土上限下降速率明显大于阴坡。与普通路基相比,片块石层的存在能大幅度抬升或减缓路基冻土上限下降,且浅色水泥混凝土路面更有利于路基的热稳定性。

通过分析多年冻土区典型公路G214沿线不同冻土条件下沥青和水泥混凝土路面病害状况,对两种路面类型的路面病害分布规律及其差异进行了分析,并就当前多年冻土地区两种类型路面的适应性问题进行了探讨。在路面病害分析过程中,采用现场踏勘的方法首先对路面病害类型、病害程度等进行调查和统计,然后就两种路面类型病害分布差异及产生原因进行了分析和讨论。最后通过分析得出多年冻土地区两种类型路面的病害分布规律差异状况,以及在多年冻土地区两种类型路面的适应性差异。

公路实体温度场观测是分析冻土路基温度场的基础,是温度场分析中必须履行的研究程序。本文为分析多年冻土区水泥混凝土路面下冻土路基的温度场情况,在G214国道重点选取了一个典型冻土断面(属连续多年冻土地区湿润型亚区),并布设温度观测装置,定期观测路基下冻土的温度场,最后进行数值分析。

运用abaqus有限元分析方法,对不同冻土断面类型,不同路堤高度的水泥混凝土路面路基温度场进行了数值模拟,计算结果与观测结果比较后证实有限元模型参数的选取和计算方法是正确可靠的。通过分析可以得出以下结论:在相同冻土断面地区,水泥路面基底融深较沥青路面下基底融深浅,体现了较好的热稳定性;不管何种冻土断面及路面类型,随着所处环境气温的升高,路面基底年最大融深均有所增加,沥青路面基底融深对中低温冻土地区气温升高的响应迅速,水泥路面基底融深对高温冻土地区气温的升高响应迅速;对于中低温多年冻土段水泥路面的大致路堤临界高度为1.2 m,对于高温不稳定多年冻土段,路堤临界高度在1.6 m左右,对于高温极不稳定多年冻土段,路堤临界高度在2.1 m左右。

对国道214公路部分试验监测路段水泥混凝土路面和沥青混凝土路面下的温度场进行了分析和研究。研究结果表明,路面类型对路基温度场有一定的影响,在多年冻土地区,水泥混凝土路面下路基温度场的改变程度明显比沥青混凝土路面下小。这说明在多年冻土区,采用水泥混凝土路面比采用沥青混凝土路面更有利于改善路基温度场的稳定。