多年冻土区高等级公路路基路面结构变形特性研究

发布时间：2017-08-23 04:39

  本文关键词：多年冻土区高等级公路路基路面结构变形特性研究

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【摘要】：青藏高原多年冻土区为高海拔、辐射强、气温低、温差大、各类冻土广泛分布的特殊自然环境,致使路基路面性能衰变相对较快,诱发了裂缝、车辙、不均匀变形等病害,降低道路使用性能。本文采用现场测试、数值模拟的方法,对路基路面结构内温度场、位移场展开研究,分析了青藏高原多年冻土区高等级公路路基路面结构变形特性。以青藏高原多年冻土区G109青藏公路和G214青康公路为依托,分析了道路沿线气温、辐射、降雨、冻土类型等自然环境特征;基于现场调研归纳分析了多年冻土区路基路面典型结构及道路病害类型。建立了伴有相变的非稳态温度场、水分场及流固热耦合控制方程;以共玉高速试验段K629+800~K634+200为典型路段,选取半刚性基层沥青路面、复合式基层沥青路面和柔性基层沥青路面结构,建立了多年冻土区路基路面结构数值模型。基于现场调研,分析了共玉高速K629+800~K634+200试验段弯沉、路面变形及病害分布特征,综合考虑承载力、路面抗变形、抗开裂等因素,评价多年冻土区试验路段路面结构路用性能,结果表明复合式基层沥青路面(4%水稳碎石、2%水稳碎石试验段)性能最好;柔性基层沥青路面(级配碎石、土工格室试验段)次之。基于冻土区路基路面结构数值计算模型,确定典型路段温度、水分、荷载及位移的边界条件和模型计算参数,数值计算路基路面结构的位移变形,并与调研实测结果进行比较,验证所建路基路面数值模型的正确合理性。数值计算分析了半刚性基层沥青路面、复合式基层沥青路面、柔性基层沥青路面结构的温度场变化特性,结果表明复合式基层路面结构在提高0℃冻结线、减小冻土融化等方面效果最佳。计算分析不同路面结构位移场变化规律可知,多年冻土区复合式基层路面结构变形小于半刚性基层路面结构及柔性基层路面结构。计算分析了宽幅、窄幅复合式基层路面结构的温度场、位移场及路表沉降,可知宽幅路基路面结构有着显著的“吸热、聚热、保温”效应,其路基内部存在着范围广、温度高的高温区,结构变形大于窄幅道路结构。
【关键词】：多年冻土地区 路基路面结构变形特性 数值模型 温度场 位移场
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U416.01
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 研究背景与意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.2.1 冻土区路面结构与材料研究现状12-14
• 1.2.2 冻土区路基结构研究现状14-15
• 1.2.3 水-热-力三场耦合研究现状15-16
• 1.2.4 研究现状分析16-17
• 1.3 主要研究内容与技术路线17-20
• 1.3.1 主要研究内容17-18
• 1.3.2 技术路线图18-20
• 第二章 青藏高原多年冻土区自然环境与路况研究20-42
• 2.1 青藏高原气候环境20-31
• 2.1.1 降雨分析21-24
• 2.1.2 气温分析24-27
• 2.1.3 辐射分析27-28
• 2.1.4 地温分布28-30
• 2.1.5 冻土深度30-31
• 2.1.6 风速风向31
• 2.2 青藏高原多年冻土区道路沿线冻土类型及分布31-35
• 2.2.1 G109沿线冻土类型及分布32-33
• 2.2.2 G214沿线冻土类型及分布33-35
• 2.3 青藏高原多年冻土区道路典型结构35-37
• 2.3.1 路面典型结构35-36
• 2.3.2 路基典型结构36-37
• 2.4 青藏高原多年冻土区道路病害分析37-41
• 2.4.1 路面结构病害37-38
• 2.4.2 路基结构病害38-40
• 2.4.3 路基路面病害成因简析40-41
• 2.5 小结41-42
• 第三章 多年冻土区路基路面结构数值模型建立42-57
• 3.1 Flac3D数值求解简介42-44
• 3.1.1 基本介绍42
• 3.1.2 Flac3D的使用特征42-43
• 3.1.3 Flac3D的求解流程43-44
• 3.2 模型控制方程44-50
• 3.2.1 温度场控制方程44-46
• 3.2.2 水分场控制方程46-49
• 3.2.3 流固热耦合控制方程49-50
• 3.3 模型边界条件50-51
• 3.3.1 温度场边界条件50-51
• 3.3.2 水分场边界条件51
• 3.4 路基路面结构数值模型51-56
• 3.4.1 共玉高速路面结构52-53
• 3.4.2 路基路面结构数值模型53-56
• 3.5 本章小结56-57
• 第四章 多年冻土区路基路面结构数值模型验证57-76
• 4.1 共玉高速典型路段测试分析57-65
• 4.1.1 路面弯沉测量57-59
• 4.1.2 路基路面变形检测59-63
• 4.1.3 路面病害统计63-64
• 4.1.4 测试综合分析64-65
• 4.2 路基路面结构位移场数值模拟65-74
• 4.2.1 建立路基路面结构位移场数值模型65-66
• 4.2.2 确定模型边界条件及初始条件66-69
• 4.2.3 确定模型参数69-71
• 4.2.4 位移场模拟结果分析71-74
• 4.3 路基路面结构位移场数值模拟与典型路段测试对比分析74-75
• 4.4 小结75-76
• 第五章 多年冻土区高等级公路结构变形特性数值分析76-94
• 5.1 路基路面结构温度场模拟76-88
• 5.1.1 建立路基路面结构温度场数值模型76
• 5.1.2 温度场模拟结果分析76-88
• 5.2 宽幅路基路面结构数值分析88-92
• 5.2.1 建立宽幅路基路面结构数值模型88-89
• 5.2.2 宽幅路基路面结构温度场云图89-90
• 5.2.3 宽幅路基路面结构位移场云图90-92
• 5.3 多年冻土地区路基路面结构变形特性综合分析92-93
• 5.4 小结93-94
• 结论与建议94-96
• 主要结论94-95
• 进一步研究建议95-96
• 参考文献96-101
• 攻读学位期间取得的研究成果101-102
• 致谢102

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