多年冻土区路基路面变形及应力的数值分析

针对青藏公路路基下发育多年冻土融化盘的实际情况,选择两种模型,应用ABAQUS有限元分析软件,对冻土路基从修筑到开放交通过程中的路基路面位移及应力进行了分析.结果表明:冻土路基以融沉为主的变形,一般情况下以路中心下最大,变形呈凹形;当路基下融化盘偏移时,最大变形位置随之偏移;路面层底拉应力最大,对融沉变形反映敏感;路面顶部压应力最大值出现在轴载作用位置,面层应力对轴载反映敏感.计算模型断面尺寸、路基填料、路面结构等对青藏公路具有代表性,在3.6 m路基总高度条件下,无论路基下融化盘偏移与否,融化盘厚达0.5 m时路基顶部(路面层底)拉应力即达基层抗拉强度,显示路基融沉变形可能导致路基失稳及路面破坏,此时路基高度即达最大值.     

多年冻土区不同路面材料路基热稳定性分析

针对多年冻土区路基路面病害多发的现状,从路面材料入手,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研究。研究结果表明,在计算高度范围内,对于8.5 m路面宽幅的路基来说,沥青路面下的最大融深大于混凝土路面下的最大融深,尤其在路基高度较低时两种路面下的融深差异更大。最大融化深度和最大融化深度发展速率均与路基高度和路面宽幅有紧密关系,通过研究可以提出有效的措施来保持路基热稳定性,从而减少路基路面病害的发生和公路的运营成本,为今后类似工程提供参考     

青藏铁路冻土路基温度场随机有限元分析

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。     

多年冻土区道路边坡热状况差异对多年冻土融化形态的影响

用数值方法模拟了在气候持续以0.02℃·a^-1速度增温下,50 a运营年限内不同走向路基的融化形态可能发生的变化趋势.计算了在砂砾路面和沥青路面下,不同高度(0~5.0 m)及不同走向(东西、东北-西南、南北、对称)路基的融化形态.结果表明:非对称热边界路基与对称热边界路基的融化形态差异很大.在呈阴阳坡的路基中,砂砾路面和沥青路面下:1)最大融化深度位置与运营时间关系不大,与路基高度、线路走向及路面类型关系密切,且最大融化深度偏离路基中线的距离与路基高度呈线性关系;2)最大融化深度与运营时间、路基高度、路面类型关系比较密切.路基较低时,最大融化深度与路基走向关系不大.路基较高时,最大融化深度与线路走向关系密切,且随着路基高度的增加、气候变暖及增温速率的增大而加剧;3)同一路基高度和线路走向下,砂砾路面的最大融化深度偏离路基中线的距离大于沥青路面的,沥青路面的最大融化深度大于砂砾路面的.相对于砂砾路面,沥青路面在一定程度上部分的抵消了阴阳坡效应,但加剧了路基下最大融化深度.     

青藏高原冻土区路面类型对路基温度场影响的非线性分析

采用焓模型, 建立含相变的冻土路基温度场, 综合考虑气温、太阳辐射、风速风向、坡面蒸发等气象因素, 将诸多气象因素归结为第二、三类边界条件的叠加组合, 对不同气温地区的沥青路面及水泥路面路基温度场进行了有限元计算. 结果表明: 路面类型对冻土路基温度场有着重要影响, 水泥路面的采用可有效地降低路面温度, 延缓冻土上限下降速率, 从而可以有效保护基底多年冻土; 从对基底冻土上限影响的角度来看, 路面类型、外部气温与路基高度三者间存在一定的动态等效关系.     

热棒技术在国道214线共和-玉树高速公路宽幅冻土路基中应用的数值模拟研究

高速公路路基幅面宽度的成倍增加,沥青路面的吸热效应更为显著,工程对其下伏多年冻土的热影响更为显著. 热棒、热棒保温板复合结构等传统工程措施能否保护宽幅高速公路下冻土稳定是一个亟待回答的问题. 根据带相变热传导有限元方法,对共和-玉树高速普通路基、热棒路基和热棒保温板复合结构路基在未来全球变暖情形下的地温场特征进行了数值模拟分析. 结果表明：在年平均气温为-3.5℃或地表年平均温度为-1℃的多年冻土地区,普通路基和热棒路基在全球变暖条件下路基下伏冻土都将发生融化,宽幅公路路基将会产生显著融沉变形,不能保证宽幅公路路基20 a使用期内的稳定性. 热棒保温板复式结构显示了较好的冷却路基效果,在第20年路基下多年冻土人为上限高于原天然上限,路基下富冰冻土仍处于冻结状态,可以保证宽幅沥青公路在服务期内的热稳定性.     

青藏公路铺筑沥青路面后路基下多年冻土的变化

由于黑色沥青路面强烈吸热,使多年冻土区内约６０％路段的路基下人为上限逐年下降,造成冻土在垂向上呈不衔接接状,形成融化核,它加剧了路基不均匀沉陷,最后导致路面破坏,一路段路基下冻土类别发生变化或多年冻土层已完全融化。     

多年冻土区铁路通风路基室内模型试验的温度场特征

根据多年冻土区铁路通风结构路基室内模型试验的研究, 分析了模型路基典型部位的温度随时间的变化情况, 及整个路基3个典型断面在冻结期结束和融化期结束时的温度场特征. 结果表明: 路基底部温度变化与气温变化趋势不一致; 路基上部温度变化与气温变化趋势一致, 但存在滞后现象; 沿着风向方向, 在冻结期, 路基温度分布比较对称, 但在融化期, 就形成不对称分布; 除了在通风管中部上方小部分有明显不同外,通过通风管中心轴断面的温度场特征与两通风管间断面的温度场分布特征在同一时刻是相似的.     

东北岛状多年冻土区公路路基清基试验研究

目前黑龙江省对多年冻土区的公路路基下冻土的处理措施主要是以清除为主,文中分别通过现场试验以及数值模拟计算,针对清基与否对路基产生的影响进行了分析。研究发现,对路基基底处理的方案采用清基或不清基方案均是可行的,但清基对路基的热稳定性是不利的。清基对路基温度场较显著的影响发生在施工完成后的1－3年内,在此期间人为上限变化较大,但还不至于造成路基路面的大面积融沉破坏;清基的长期影响是使多年冻土区年平均地温升高, 使路中人为上限下降;清基会使路基内提前约4个月发育融化核,并且融化核厚度也增加0.3～0.6 m;清基对路基温度场造成较大影响的主要影响因素是施工季节与清基后回填土体的初始温度。     

潜水摄动有限元的随机数值模拟

潜水水流的动态随机模拟是一个复杂而难解决的问题.通过建立二维潜水非稳定流模拟的摄动随机有限元模型, 把控制方程的主要参数渗透系数和给水度随机变量、及源汇项和边界条件看作随机变量.在充分考虑4种随机因素的条件下, 推导出求解潜水二维非稳定流均值和方差的9个方程; 重点介绍了不同方程数值离散的特殊处理方法.通过设定理想例子对模拟结果进行了分析, 表明随机变量中边界条件值方差、渗透系数方差变化对水头方差变化的影响很小, 给水度方差的变化对水头方差的变化影响很大.本模型考虑因素全面, 对一般的潜水非稳定流随机模拟都可应用.本研究给出了边界、渗透系数、给水度的随机因素对潜水动态模拟的影响, 丰富和补充了地下水运动的随机理论.      

软土地基上路堤填筑的破坏性状分析

在软土地区建设高速公路、铁路等的填筑路堤越来越多,由于软土的不排水抗剪强度较低,软土地区路堤的填筑十分困难,而软土地基的渗透性很低,通常认为路堤的填筑是在不排水条件下进行。经典的设计方法是基于极限平衡法,无法考虑变形等因素,因此,能综合考虑稳定及变形等因素的有限元方法成为分析此类问题的一种有效手段。依据连云港铁路路堤在软土地基上的填筑试验资料,采用大变形有限元方法及Mohr-Coulomb模型,采用现场试验得到的土体强度值,对平面应变条件下路堤填筑的破坏性状及极限填筑高度等进行了分析,并对比了有限元分析结果及现场试验结果,结果表明,采用大变形有限元方法能够较准确的得到填筑路堤的极限高度,并有效地分析填筑路堤的破坏性状。     

保温法在青藏铁路路基工程中应用的适用性评价

保护冻土原则是多年冻土区路基设计的首要选择.运用带相变瞬态温度场的有限元数值解法,模拟分析了铺设聚苯乙烯(EPS)板后铁路路基下多年冻土最大融化深度在随后50 a内随时间的变化,提出了保温板铺设的适宜位置和合理厚度.总结分析了保温路基中保温板的合理宽度和保温路基合理的施工时间,基于年平均气温给出了多年冻土区铁路路基工程中保温法的适用范围,并对多年冻土年平均地温对保温处理措施适用范围的影响进行了分析.     

青藏铁路多年冻土地区碎石护坡路基非线性分析

为了研究碎石护坡对冻土区路基温度场的影响,以青藏铁路试验段现场观测的气候和地质资料为上边界条件,运用带相变瞬态温度场有限元数值解法,对不同厚度的碎石护坡路基进行了分析。结果表明:粒径为10 cm的碎石护坡对多年冻土区路基的稳定性有保护作用;碎石护坡对路基坡脚附近地温影响较大,采用碎石护坡对防止路基纵向裂缝的产生有一定的作用;实际应用中碎石层厚度不能太厚。     

青藏铁路普通路基下部冻土变化分析

高温高含冰量冻土地区,青藏铁路采取了冷却路基、降低多年冻土温度的工程措施.然而青藏铁路仍有大量路段未采用任何工程措施,因此修筑普通路基后冻土变化也是普遍关心的问题.根据青藏铁路普通路基下部土体温度监测的近期结果,分析了季节冻土区、已退化多年冻土区和多年冻土区路基下部冻土变化特征.结果表明,不同区域修筑普通路基,其下部土体温度、最大季节冻结深度、多年冻土上限等存在较大的差异.在季节冻土和已退化多年冻土区,右路肩下部(阴坡)已形成冻土隔年层;在多年冻土强烈退化区,其路基下部形成融化夹层;在高温多年冻土区,其路基下部上限存在抬升和下降,上限附近土体温度有升高的趋势.在低温多年冻土区,其路基下部上限全部抬升,上限附近土体存在"冷量"积累,有利于路基下部多年冻土热稳定性.因此,低温多年冻土区修筑普通路基后,冻土变化基本是向着有利于路基稳定性的方向发展,在其它地段修筑普通路基,冻土变化是向着不利于路基稳定性的方向发展的.特别是阴阳坡太阳辐射差异,导致了土体热状态和多年冻土上限形态产生较大的差异,这种差异将会对路基稳定性产生一定的影响.     

青藏铁路填土路基热-力耦合离散元研究

多年冻土是含有冰的特殊土体,在自然环境变化及工程扰动下易发生冻胀融沉变形,严重威胁着青藏高原工程建筑物的安全稳定,特别对青藏铁路的畅通运营提出了严峻挑战。以青藏铁路五道梁地区路基断面为研究对象,采用颗粒离散单元法,通过建立热-力离散元计算模型,对路基的温度场和变形进行了计算和预测。结果表明：离散单元法克服了有限元方法无法模拟颗粒间导热与接触粘结作用的瓶颈,能够从微观层面阐释宏观变化,较为真实地反映冻土的导热和力学变形;离散单元法数值计算分析发现,随着运营时间的增加,路基存在冻土退化问题,而且路基中颗粒间热交换复杂,在0 ℃等温线区域和路基坡脚处,颗粒间相互作用更为突出。热-力耦合离散元为冻土工程研究提供了新思路,可更好地为寒区工程服务。     

无单元法在高速公路沉降计算中的应用研究

无单元法是一种新型数值计算方法，它只需要节点相关信息就能建立离散模型。笔者首先介绍了不等阶多项式基的径向点插值法基本理论，接着将其应用到分级施工下的软基高速公路断面沉降计算中，推导出此类问题的系统矩阵方程，并与有限元法解进行了分析对比.结果表明：该法不但计算精度高，而且在求解路堤分级施工的这类移动边界问题的沉降时，比有限元法更方便，故在工程实践中将具有广阔的应用前景。     

公路黄土地基处治前后沉降变形分析

在湿陷性黄土地区,黄土作为高速公路地基的主要原料其强度和变形特性不能满足要求,主要有振动碾压、冲击碾压和强夯3种有效且实用的处治方法。本文根据原位试验和室内试验的数据,进行有限元模拟,在不同高度路堤和不同加载方式情况下,地基沉降变形随着处治能级的增加而减小,路堤本身的沉降保持不变。对于地基处理的深度和沉降变形减小的效果,强夯最好,冲碾次之,振碾最弱。处治前后地表中心沉降变形值与加载路堤高度之间的关系均可用二阶多项式回归拟合。2～4m高的路堤采用振碾的方式处理地基,5～10m高的路堤采用冲碾方法,大于10m的路堤多用强夯或者直接修桥来代替,对于黄土地区高速公路建设与维护具有重要意义。     

堤防工程三维随机渗流场理论及研究

给出分析各向异性非均质稳定随机渗流场问题的三维有限元模型;结合实际工程问题,统计分析长江荆南干堤士性参数的分布特征,通过Kolomogorov-Smirnov统计检验表明,渗透系数呈高斯分布假设可以接受;通过对长江荆南干堤随机渗流场的三维有限元统计模拟的数值分析,研究长江荆南干堤渗流场的各种随机特性,并进一步对随机模拟结果进行统计检验,验证模拟结果的合理性;在实际的分析研究中把上下游水位的随机波动引入三维有限元的随机分析模型,分析上下游水位的变异性对渗流场矢量的随机干扰和边界条件的随机性对随机渗流场分析结果变异性的影响。在此基础上进一步考虑施加诸如垂直截渗墙、下游导渗沟等抗渗措施后,它们作为复杂边界条件的扰动,在与场内土性参数的变异性共同影响下,对渗流场水头势分布的随机干扰特性,并与相应的确定性稳定渗流场问题的结果对比,证实随机渗流场研究的必要性、可行性及实用性。实现了对长江荆南干堤的三维渗流场的较为全面的随机场模拟及特性分析,分析得到的结论通过统计检验并结合实测工程数据对照证明是可靠的,所研制的程序是适用的。     

青藏铁路旱桥的三维温度特性分析

根据带相变瞬态温度场问题的热量平衡控制微分方程, 应用有限元法对青藏铁路旱桥的温度特性进行了三维数值分析.结果表明: 修建于高温极不稳定冻土地段的旱桥在将来运行20 a的过程中对冻土有很好的制冷作用, 能很好地保护冻土, 保证铁路的运行安全, 并且分析和说明了在建的青藏铁路在高温极不稳定冻土地段的采用旱桥的形式是可行的和必要的.