季冻区新型路基冷阻层抗冻性及温度场模拟分析

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1、季冻区新型路基冷阻层抗冻性及温度场模拟分析第1章绪论1.1研究背景及意义冻土即为温度低于0℃的土体或岩石，这仅仅是考虑温度的基础上，并未讨论其中水的存在形式等。多年冻土、季节性冻土和隔年性冻土是主要的冻土体现形式。据我国早期的统计资料显示，多年冻土占我国国土面积的20%，而季节性冻土在我国的国土覆盖面积更大，比例达到45%左右，我国东北地区季节性冻土分布广泛，在气温和纬度的影响下最大冻结深度由南向北逐渐增大。目前，东北地区的公路铁路冻害较为普遍，主要表现为翻浆、路面开裂、道路及附属结构的冻胀破坏、涎流冰对道路及附属结构的破坏，其中冻胀和翻浆所

2、带来的不均匀沉降和道路结构整体性的破坏尤为突出，成为了公路铁路正常运行和维护的重大障碍。道路冻害是内部及外部因素综合作用的结果，内部因素指粉质黏土及粉土等对冻胀敏感性强抵抗能力较低的填土，路基内部的水分以及利于冻结的低温环境；外部因素指对道路路面和基层结构产生破坏的外荷载和导致道路承载力降低的冻融循环等温度因素。根据道路产生冻胀和翻浆破坏的基本因素，防止和治理的基本方法是消除或削弱路基冻结过程中的聚冰，改善路基温度场，加强路基填料的性能，方法主要如下几种：①地基土换填法：选取水稳定性好、强度合格且抗冻胀性能强的填料；②排水隔水法：对冬季的路基

3、内部水分场进行削弱；③保温隔热法：通过减小冻结深度，减轻外界的冷能量对路基填料的作用影响；④结构法：采用新型路基结构对路基性能进行改良；⑤综合措施法：上述等方法的综合[1]。..........1.2道路冻胀冻害调查我国的季节性冻土主要集中在黑龙江、吉林、辽宁、甘肃、宁夏、新疆北部、青海和西藏等地区，我国的冻土研究起步于上世纪50年代，道路冻害的研究也较晚，1964年辽宁省土木道路冻害防治学术会议第一次正式的提出了道路冻害的防止对于道路维护的重要作用，此后于上世纪80年代国内开始了比较全面详细的研究，包括对冻胀的机理、冻胀的发生过程和影响因素

4、等，为了有效地评定和防治道路冻胀，我国学者提出了很多的评定方法和模型。相比于多年冻土的研究季节性地区的研究较少，近十年来吉林、辽宁、黑龙江、北京等地方的交通科学研究所、高等级公路建设局和科研单位院所等对公路冻害进行了调查，结果表明季节性冻土区的道路冻害主要有道路的冻胀、翻浆、水泥路面的面层结构的开裂破坏和损耗，沥青路面的粒料损耗和裂纹等。冻胀和翻浆对于道路的结构破坏往往是致命的，严重程度及维护成本也远远高于其他冻害，见图1.1和图1.2。冻胀的发生；孔隙水及外来迁移的水的不断结晶，土体体积变大。由于结晶过程中，杂质可以从处于分凝作用的冰晶上被

5、排斥出来，所以土体冻结过程中形成的冰晶体具有排斥其他溶质和其他物质包括土颗粒的倾向。如果冻结过程中土颗粒产生位移，在冻结面前移动，则会产生一层层薄冰，发生冻胀。调查表明，道路冻害的发生与道路中水分的变化状态和运动形式有关，通常实际中采取合理的措施来控制道路中水分的含量，稳定道路所处的温度场的环境及控制填土的材料性能等措施可以一定程度上缓解道路冻害的发生及危害...............第2章冷阻层抗冻机理及热学基础2.1保温隔热法道路冻害防治机理道路保温冷阻层的方法就是在路基内加铺一层保温材料，利用保温材料的低导热性阻止外部热量进入下部土层

6、，从而起到对路基下部土层的保护作用。一方面可以减少路基冻结深度，减少或削弱由于路基冻胀引起的道路不均匀变形和破坏。另一方面还可以一定程度的防止道路的冻胀，在冻土区冻胀和翻浆往往是伴随出现的，如果道路出现冻胀，出现横纵向的裂纹，裂纹逐渐的发展导致雨雪的渗入，在外荷载作用下道路会发生翻浆，并且这种作用会由道路浅层结构向下延伸。这种方法的实用性很强，多年冻土区和季冻区的道路皆可以采用。保温隔热材料的选择应该具有稳定的耐久性，足够的承载强度，不易吸水而且性能比较稳定，通常采用的工业保温材料有传统的保温用材EPS板（聚苯乙烯泡沫板）、新型的XPS板（挤

7、塑式聚苯乙烯板）和聚氨酯等。保温层的埋设深度，单纯的从减小冻结深度的方面来看，越靠近面层越好，但是从材料的强度及受荷载作用来说，埋设的深度越深越好。根据很多研究表明，埋深深度应大于等于0.5米最为适宜，而且在保温层的施工过程中，应该在上下分别摊铺一定厚度的保护层，可以选用粗砂。铺设的宽度应该略宽于路面的面层结构。.........2.2冷阻层材料的热参数出于有效地评价材料的导热性和准确的建立求解温度场数学模型，掌握材料的未冻结水含量、导热系数和比热是十分重要的。冻土的定义是温度低于零度的土，这是从温度的角度来定义，同时还要认识到土中冰-水体系

8、将随着颗粒成分、盐含量和比表面积的改变而不同，因此掌握未冻水含量的方程，理解冰水二相的关系对于冻土的性质是十分必要的。此外，在有限元模拟中，为了考虑冻土温度变化中的