保溫法在青藏高原多年凍土區(qū)道路工程中的應(yīng)用評價研究.pdf

1、保溫法是調(diào)控傳導(dǎo)的工程措施，通過修筑路堤、設(shè)置保溫層可以有效地增加土體熱阻，減少路基下多年凍土的換熱量，從而延緩凍土退化，在一定時間內(nèi)起到保護凍土的作用。50多年來各國科學(xué)家對保溫法進行了大量的室內(nèi)實驗、野外試驗和數(shù)值模擬研究，但研究缺乏系統(tǒng)性，保溫法是否可行、到底在工程中應(yīng)該如何應(yīng)用保溫法仍是一個困擾凍土工程界的問題。本文采用現(xiàn)場觀測試驗、室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，對典型路基用保溫材料PU和EPS的長期可靠性、保溫路基設(shè)計參數(shù)、

2、保溫法的適用條件和范圍、保溫路塹換填設(shè)計參數(shù)、凍土保溫路基的變形場特征、保溫板熱棒復(fù)合結(jié)構(gòu)路基的保護凍土效果及其應(yīng)用的可行性等進行了深入的探討，取得的主要成果如下： 1)室內(nèi)測試結(jié)果和現(xiàn)場試驗路監(jiān)測資料均表明，在青藏高原特殊的氣候、太陽輻射、水分和行車荷載等條件下，路基中的保溫材料能夠克服以上影響，其物理力學(xué)性質(zhì)保持穩(wěn)定，可以在多年凍土區(qū)道路工程中長期可靠使用。 2)數(shù)值計算結(jié)果表明，對于瀝青路面保溫路基，在滿足荷載要求

3、條件下，保溫板埋設(shè)越淺，保溫效果越好?，F(xiàn)場長期監(jiān)測結(jié)果表明，保溫板的埋設(shè)深度在路面下40-50cm可以保證EPS保溫板的隔熱性能穩(wěn)定。對于50a使用期的鐵路路基，采用低埋深保溫板結(jié)構(gòu)更佳。 保溫路基施工時應(yīng)避免在季節(jié)融化深度較大、氣溫較高的季節(jié)施工。考慮到嚴寒條件下施工的不便，保溫路基可以在活動層回凍后或解凍前施工完成。數(shù)值模擬結(jié)果表明，保溫板越寬，其保溫效果越好，但其保溫效果的改善程度隨寬度的增加而逐漸減弱。公路路基，保溫板為

4、0.1m厚EPS時，保溫板寬度大于路基頂寬(10.0m)即可達到較好的保溫效果。對于50a使用期的鐵路路基，宜選用較寬的保溫板。保溫板厚度對路基中心下最大融化深度的影響在較高路基條件下相差不大，而在路基較低情況下影響較大。綜合考慮經(jīng)濟和強度，10cm厚EPS是比較合適的保溫板鋪設(shè)厚度。 3)保溫路基在修筑后，其下人為上限一般都大幅上升，若干年后趨于穩(wěn)定。路基下凍土地溫逐漸升高，保溫路基下多年凍土處于一種退化狀態(tài)。對于低溫多年凍土

5、地區(qū)，保溫材料的使用可以延緩多年凍土退化，加強路基的熱穩(wěn)定型，延長路基的使用年限。而被動保護凍土的保溫措施不宜在年平均氣溫或表面溫度較高的高溫多年凍土區(qū)路段使用。 計算結(jié)果表明，采用不同的保溫板厚度和路基填土高度的組合，可以達到相同的保溫效果。當年平均氣溫在-4.0℃～-5.20℃之間時，可以采用保溫法保證青藏高原多年凍土區(qū)鐵路路基的熱穩(wěn)定性。當年平均氣溫在-4.2℃～-5.90℃之間時，可以采用保溫法保證青藏多年凍土區(qū)公路路基

6、的熱穩(wěn)定性。地溫場對于保溫法的適用范圍有影響，其影響的大小和路基高度有關(guān)。年平均地溫對于低路基影響較大，而對于較高填土路基，其影響相對較小。 4)多年凍土區(qū)保溫路基沉降變形與路基下伏多年凍土的溫度狀況緊密相關(guān)?；趦鐾谅坊鶡釓椝苄匀诔翂嚎s本構(gòu)模型，進行了溫度場和變形場的單向耦合分析，對保溫路基的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行了驗證。計算結(jié)果表明，公路保溫路基的年均沉降量和總沉降量均小于路基的容許沉降變形，可以保證路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和行車要求。鐵路保

7、溫路基年均沉降量也小于2.0cm，可以保證青藏鐵路多年凍土段的正常運營，可以滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。 5)采用一次二階矩法和蒙特卡洛法對路塹換填深度的可靠度評估結(jié)果表明，對于多年凍土區(qū)砂礫下墊面路塹，單純采用砂礫換填不能保證路基下多年凍土的熱穩(wěn)定性，如采用保溫換填可以大幅提高路塹的可靠性，采用10.cm的EPS保溫層，則可以保證最大融化深度不超過設(shè)計深度。 6)保溫板熱棒復(fù)式結(jié)構(gòu)充分利用了兩種措施的優(yōu)點，可以更好的提高保護凍