高温冻土区填土路基融化固结变形分析
发布时间：2019-10-18 15:26
【摘要】：基于修正拉格朗日(U.L)描述下的大变形固结理论和考虑相变作用的温度场得到大变形融化固结理论,对不同路堤高度下填土路基温度场和融沉变形进行研究.结果表明:高温冻土区合理高度的路堤在5~10 a内使冻土上限略微抬升,但冻土有明显升温.冻土上限在未来的5~10 a后会急剧下降,且路堤高度越小,下降量越大.与小变形融化固结理论相比,大变形融化固结理论预测高含量冻土融沉变形的精度更高.融沉量与路堤高度成正比,且随着时间的增长,融沉变形呈阶梯型发展,路堤越高,阶梯现象越显著.定义融沉量与路堤高度之比为沉降比,研究发现路堤越低,其沉降比越大,且随时间线性增长.沉降比是冻土融深增量的单值函数,与路堤高度无关,通过沉降比函数可以快速而实用的求出融沉变形量.
【图文】：
c=cuT＞Tacf+cu－cfTa－Tb(T－Tb)+Lw1+w鐓wi鐓TTb＜T＜TacfT＜T{b(12)式中:Ta、Tb分别为冻土相变时温度区间的上限、下限;Lw为水的相变潜热值，Lw=334．56kJ·kg－1．式(4)～(12)形成了大变形融化固结理论的控制方程，只在融化区域内进行固结，冻土区不固结也不产生变形．2数值试验模型及参数2．1试验模型不考虑阴阳坡效应，路基在横向具有对称性，计算模型如图1所示．图1中H为路堤高度，E点为坐标原点，Y轴向上为正，X轴向右为正．从保护多年冻土的原则考虑，存在一个合理路堤高度的问题，路堤过低或过高都会造成路基下多年冻土上限下降［16－17］．路堤高度不同不仅会使路基下部温度场存在差异，而且其上部荷载也会不同，因此有必要对不同高度路堤的路基变形规律进行研究，H图1数值计算模型图Fig．1Modeofthenumericalcalculation的取值分别为2m、4m、6m．考虑气候变暖条件下多年冻土对青藏铁路工程长期稳定性的一项基础研究［18］．认为青藏高原在50a内升温2．6℃［19］，参考现场实测资料及文献［20］，模型热学边界条件如下:AB边:TAB=2．2+15sin2π8760t+π()2+2．68760×50t(13)BC边:TBC=1．6+13sin2π8760t+π()2+2．68760×50t(14)CD边:TCD=－0．6+12sin2π8760t+π()2+2．68760×50t(15)根据青藏高原北麓河气象站60m深钻孔测温资料，天然地表以下30m处地温梯度的平均值为0．03℃·m－1，故FG边界条件为:qFG=－λ鐓T鐓y=－196．56J·m2·h－1AF、DG边均为零热流边界;力学边界条件:AF、DG边界:u=0，v≠0;
图2老温泉断面暖季地温曲线Fig．2GroundtemperatureprofilesatLaowenquanmonitoredinwarmseasons图3路堤修筑后暖季地温计算值Fig．3Groundtemperatureprofileswithinanembankment，calculatedforvariousyearsafterconstruction内升高了约0．1℃．图3为数值计算后得到的温度场地温变化曲线，该地温为每年暖季时的地温．数值分析中，年平均地温为－0．5℃，路堤高度为4m，下伏冻土层为高含冰量冻土．由图中可以看出，冻土升温效果明显，在5a内升温约0．1℃，但冻土上限基本不变，这与黄志军等［22］的计算结果规律一致，与图2地温监测值较吻合．图4不同高度路堤下人为上限发展Fig．4Developmentoftheartificialpermafrosttableswithvariousembankmentheightschangingwithtime图4为50a内不同高度路堤下冻土人为上限随时间的发展变化图．由图4中可以看出，4m高的路堤在前5a内可以抬高冻土上限，最大抬升高度7cm;6m高的路堤在前9a内可以抬升冻土上限，最大抬升高度14cm，上限抬升量均较小;而2m高的路堤在修筑当年就使冻土上限下降．青藏铁路普通路基现场监测资料统计表明［23］，当年平均地温高于－0．6℃时，不管路堤高度是多大，冻土上限都将保持在原有水平(阴坡)或者略微下降(阳坡)，冻土缓慢升温．冻土上限在后期均以线性规律下降，形成较厚的融化盘．第50年，2m、4m、6m高路堤冻土上限分别为－5．65m、－5．2m、－4．79m．路堤越高，冻土上限位置越高，上限下降量越小．普通冻土路堤可以起到一定的隔热的作用，但只是增加热阻的消极“保温”措施［24］．随时间的增长，路基下冻土上限与天然地面的冻土上限的差值越来越大，第50年，2m高路堤的最大差值达2．15m，路堤越高，，差值越小．短期(5～10a)内，合理
【作者单位】： 甘肃省交通科学研究院有限公司;中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室;西安理工大学岩土工程研究所;
【基金】：国家自然科学基金创新群体项目(40821001) 冻土工程国家重点实验室自主研究项目(09SF103003;SKLFSE-ZY-03)资助
【分类号】：U416.1
本文编号：2551154
【图文】：
c=cuT＞Tacf+cu－cfTa－Tb(T－Tb)+Lw1+w鐓wi鐓TTb＜T＜TacfT＜T{b(12)式中:Ta、Tb分别为冻土相变时温度区间的上限、下限;Lw为水的相变潜热值，Lw=334．56kJ·kg－1．式(4)～(12)形成了大变形融化固结理论的控制方程，只在融化区域内进行固结，冻土区不固结也不产生变形．2数值试验模型及参数2．1试验模型不考虑阴阳坡效应，路基在横向具有对称性，计算模型如图1所示．图1中H为路堤高度，E点为坐标原点，Y轴向上为正，X轴向右为正．从保护多年冻土的原则考虑，存在一个合理路堤高度的问题，路堤过低或过高都会造成路基下多年冻土上限下降［16－17］．路堤高度不同不仅会使路基下部温度场存在差异，而且其上部荷载也会不同，因此有必要对不同高度路堤的路基变形规律进行研究，H图1数值计算模型图Fig．1Modeofthenumericalcalculation的取值分别为2m、4m、6m．考虑气候变暖条件下多年冻土对青藏铁路工程长期稳定性的一项基础研究［18］．认为青藏高原在50a内升温2．6℃［19］，参考现场实测资料及文献［20］，模型热学边界条件如下:AB边:TAB=2．2+15sin2π8760t+π()2+2．68760×50t(13)BC边:TBC=1．6+13sin2π8760t+π()2+2．68760×50t(14)CD边:TCD=－0．6+12sin2π8760t+π()2+2．68760×50t(15)根据青藏高原北麓河气象站60m深钻孔测温资料，天然地表以下30m处地温梯度的平均值为0．03℃·m－1，故FG边界条件为:qFG=－λ鐓T鐓y=－196．56J·m2·h－1AF、DG边均为零热流边界;力学边界条件:AF、DG边界:u=0，v≠0;
图2老温泉断面暖季地温曲线Fig．2GroundtemperatureprofilesatLaowenquanmonitoredinwarmseasons图3路堤修筑后暖季地温计算值Fig．3Groundtemperatureprofileswithinanembankment，calculatedforvariousyearsafterconstruction内升高了约0．1℃．图3为数值计算后得到的温度场地温变化曲线，该地温为每年暖季时的地温．数值分析中，年平均地温为－0．5℃，路堤高度为4m，下伏冻土层为高含冰量冻土．由图中可以看出，冻土升温效果明显，在5a内升温约0．1℃，但冻土上限基本不变，这与黄志军等［22］的计算结果规律一致，与图2地温监测值较吻合．图4不同高度路堤下人为上限发展Fig．4Developmentoftheartificialpermafrosttableswithvariousembankmentheightschangingwithtime图4为50a内不同高度路堤下冻土人为上限随时间的发展变化图．由图4中可以看出，4m高的路堤在前5a内可以抬高冻土上限，最大抬升高度7cm;6m高的路堤在前9a内可以抬升冻土上限，最大抬升高度14cm，上限抬升量均较小;而2m高的路堤在修筑当年就使冻土上限下降．青藏铁路普通路基现场监测资料统计表明［23］，当年平均地温高于－0．6℃时，不管路堤高度是多大，冻土上限都将保持在原有水平(阴坡)或者略微下降(阳坡)，冻土缓慢升温．冻土上限在后期均以线性规律下降，形成较厚的融化盘．第50年，2m、4m、6m高路堤冻土上限分别为－5．65m、－5．2m、－4．79m．路堤越高，冻土上限位置越高，上限下降量越小．普通冻土路堤可以起到一定的隔热的作用，但只是增加热阻的消极“保温”措施［24］．随时间的增长，路基下冻土上限与天然地面的冻土上限的差值越来越大，第50年，2m高路堤的最大差值达2．15m，路堤越高，，差值越小．短期(5～10a)内，合理
【作者单位】： 甘肃省交通科学研究院有限公司;中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室;西安理工大学岩土工程研究所;
【基金】：国家自然科学基金创新群体项目(40821001) 冻土工程国家重点实验室自主研究项目(09SF103003;SKLFSE-ZY-03)资助
【分类号】：U416.1
本文编号：2551154
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