对哈齐(哈尔滨—齐齐哈尔)客运专线DK221+150断面温度场进行实测,并对该断面温度场进行了二维有限元分析,研究季节性冻土地区铁路路基冻结深度变化规律及其影响因素,并拟合出冻结深度与热通量及持续冻结时间的函数关系。结果表明:该地区铁路路基最大冻结深度约0.3 m;路基冻结深度主要取决于浅层土体的热通量及持续冻结时间;当表层热通量降低至某一临界值后,土体冻结深度不再发展,冻土厚度开始逐步减少;冻结深度与热通量、持续冻结时间呈线性关系,随着冻结状态时间的延长,热通量的敏感性下降,持续冻结时间敏感性上升。
高速铁路对轨道平顺性具有非常高的要求,在季节冻土区建设的铁路面临着路基冻胀问题,由路基冻胀引起的轨道变形严重影响了高速铁路运行的安全性与舒适性.通过对比其他学者关于路基冻胀的处理与防治方法,提出了采用水泥稳定级配碎石代替普通级配碎石作为基床表层填料,同时在路基边坡铺设保温护坡的方法来防治路基冻胀.根据哈大客运专线季节冻土区的地质及气候条件,采用有限元数值仿真方法分析路基基床表层采用水泥稳定级配碎石和在路基边坡加设保温护坡后对路基温度场的影响.并将分析结果与哈大客运专线的现场实测结果进行了对比,验证了有限元数值仿真结果的可靠性,分析结果表明:在基床表层换填水泥稳定级配碎石,同时在路基边坡铺设3.0 m高、2.5 m宽的保温护坡后可以有效缓解路基的冻胀,与无任何保温措施的普通路基相比,路基中心处的最大冻结深度减小了0.5 m,路肩处的最大冻结深度减小了1.1 m.
路基内部水分场和温度场的变化是影响季节冰冻路基稳定性的关键因素,基于季冻区冻土路基温度场控制方程,建立了季节冰冻路基模型,计算分析了路侧积水对路中、路肩温度场的影响。研究表明:路侧积水对路基内部温度场的改变有显著影响,路侧有积水的路基温度场的0℃范围比无积水的路基温度场的范围大,而且0℃等值线的深度呈现向下向路基内部扩散的趋势。
通过对青藏公路所跨越冻土地区连续多年现场观测所得到的数据,得出冻土地区低温区和高温区路基温度场的分布状态。根据所测高低温地区数据对比分析可知,低温区公路使用状态正常,路基一直维持在稳定状态,能够满足使用要求;高温区路基则容易产生大的沉陷,影响公路正常使用。文章针对性地提出了冻土地区公路路基施工设计原则及施工方法。
采用焓模型,建立含相变的冻土路基温度场,利用非线性有限元方法对隔热板路基温度场进行数值模拟,并结合考虑近期及远期冻土保护效果,采用冻土年最大融深及路基内融土核高度两个评价指标综合分析了路基高度、路基施工季节等因素对隔热板最佳埋深的影响.有限元计算表明,当施工季节向冷季推迟3个月时,隔热板的冻土保护效果显著增强,路基在运营20年内无融土核出现.在确定隔热板最佳埋深时需综合考虑施工季节、路基高度等因素的影响,若路基较低,宜浅埋,路基高度较高,暖季施工宜中埋,冷季施工宜浅埋.
由于全球升温致使多年冻土呈退化趋势,多年冻土地区路基的热稳定性受到了广泛关注。文章以试验路为模型,通过建立路基非稳态温度场有限元分析模型,分析了多年冻土区通风管管径对路基温度场的影响变化特征,为保证路基热稳定性及保护冻土区工程提供参考。
为了研究随外界环境条件改变聚苯乙烯(EPS)冻土路基温度场变化特征,运用ABAQUS有限元分析方法,对多年冻土区EPS隔热路基的温度场进行了数值模拟.计算时采用改变EPS铺设位置,模拟路面下多年冻土季节最大融深在路基修筑完工后8 a内随时间的变化.通过对计算结果分析得出,在多年冻土区路基中铺设保温材料对路面下多年冻土具有明显的保护作用.当EPS铺设在路堤底部时,路堤温度场分布比较均匀,路堤内部都为正温,在EPS板下,路基温度都为负温,说明EPS有效阻止了边坡和路面传入的热量.因此,如果要修筑EPS隔热路基,应将EPS板铺设于路堤底部.
运用有限元分析法,对多年冻土区草皮护坡路基温度场进行了数值模拟。通过对比分析路基下多年冻土上限位置的变化,得出草皮护坡对路基下多年冻土具有一定的保护作用,并分析了其中的不足,可供工程实际参考。
采用焓模型,综合考虑了气温、太阳辐射、风速风向、坡面蒸发等气象因素,对不同气温地区多种高度路基温度场进行有限元数值模拟,并采用天然地面下冻土年最大融深及路基内融土核高度两个指标综合分析路基稳定状况。有限元分析表明:在中低温多年冻土地区,抬高路基可延缓冻土下降速率,有效保护多年冻土;在高温不稳定多年冻土地区,抬高路基的效果并不显著,过度地抬高路堤会使路基内融土核高度显著增加,路基本体的稳定性将受到严重影响。本文还提出路基高度与冻土年最大融深之间的回归公式,为路基病害预测提供依据。
了解冻土路基温度场的动态变化对冻土路基稳定性分析具有重要的指导意义。本文根据冻土路基温度场动态变化时间序列的非线性性质,利用时间序列的Takens相空间重构方法,由一维的单变量观测数据序列进行相空间拓展,在拓展的相空间中得出冻土路基温度场动态变化时间序列的分维数,从而揭示了温度场动态变化的内在规律及其本质特征。
