多年島狀凍土路基熱穩(wěn)定性及融沉預(yù)測(cè)的研究.pdf

1、我國多年凍土區(qū)面積約占國土面積的1/5，主要分布在青藏高原和東北大、小興安嶺地區(qū)，國內(nèi)以往對(duì)多年凍土工程的研究主要集中在以青藏高原為代表的西部地區(qū)，然而東北大、小興安嶺地區(qū)的多年凍土與青藏高原等西部地區(qū)的多年凍土有著明顯不同。西部地區(qū)的多年凍土主要受海拔高度控制，一般較為連續(xù)，且凍土體量大，路基差異性變形相對(duì)較小;而東北地區(qū)的多年凍土則具有明顯的緯度地帶性特點(diǎn)，凍土體量小，連續(xù)性差，多呈島狀分布，且屬高溫凍土，熱敏感性高，退化速度快，在

2、工程實(shí)踐中，其病害在發(fā)生時(shí)間、發(fā)展速度、損傷過程及破壞程度等方面也存在著較大差別。因此，應(yīng)進(jìn)一步研究符合高緯度地區(qū)凍土特點(diǎn)的工程技術(shù)理論，然而多年島狀凍土路基的熱穩(wěn)定性是一個(gè)極其復(fù)雜的問題，是一個(gè)至今仍未徹底解決的工程難題，尤其是具有寬幅路面的高等級(jí)公路，由于其對(duì)地基土的熱擾動(dòng)較為強(qiáng)烈，所引發(fā)的工程問題也更為復(fù)雜。
　　本文依托交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目“凍土融化和山體滑坡路段高速公路加寬擴(kuò)建工程路基穩(wěn)定性技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào):20113

3、18223630），以及黑龍江省交通廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目“高緯度島狀多年凍土區(qū)高速公路路基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào):2009-019），通過試驗(yàn)對(duì)比、理論分析及數(shù)值模擬對(duì)多年島狀凍土路基的地溫變化特征和位移反映過程進(jìn)行了深入研究，提出了多年島狀凍土路基位移場(chǎng)的年周期性地溫響應(yīng)規(guī)律及路基變形的“突變效應(yīng)”和“熱縮效應(yīng)”，并將支持向量機(jī)原理應(yīng)用于凍土路基的融沉變形預(yù)測(cè)中，提出了一種更為有效的新型預(yù)測(cè)方法。本文的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新成果如下:<

4、br>　　1.通過對(duì)凍土路基熱穩(wěn)定性影響因素的分析及試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)多年島狀凍土路基地溫場(chǎng)及位移場(chǎng)年周期內(nèi)的變化規(guī)律具有明顯的階段性特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將路基位移場(chǎng)的年周期性地溫響應(yīng)過程劃分為凍結(jié)階段，過渡階段及融化階段。
　　2.通過對(duì)多年島狀凍土路基熱狀況、相變速率，以及凍土單軸拉伸特性、側(cè)向變形性質(zhì)的分析，分別構(gòu)建了含有相變及水分遷移過程的凍土路基地溫控制方程，以及豎向位移、側(cè)向位移的理論計(jì)算模型;并采用有限元分析軟件對(duì)多年島狀凍

5、土路基的路基瞬態(tài)地溫場(chǎng)及位移場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。
　　3.通過對(duì)路基兩側(cè)坡面施加不同的熱流密度條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多年島狀凍土路基坡向性效應(yīng)的數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明隨著路基兩側(cè)坡面溫差的增大，路基地溫場(chǎng)及位移場(chǎng)的不對(duì)稱特征愈加明顯，根據(jù)不同熱差異時(shí)的路基地溫場(chǎng)及位移場(chǎng)的等值線分布圖，分別對(duì)凍結(jié)狀態(tài)和融化狀態(tài)下路基的坡向性地溫特點(diǎn)、位移變化特征及可能誘發(fā)的路基病害進(jìn)行了深入分析。
　　4.通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與分析，得出了多年島狀凍土

6、路基內(nèi)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處地溫及位移的年周期性變化情況及特征差異，并對(duì)實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果的偏差原因進(jìn)行了分析，從而驗(yàn)證了理論計(jì)算方法的可行性;在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的凍土路基地溫及位移年周期性變化曲線的分組對(duì)比，得出了覆土厚度、含冰量及地基加固措施對(duì)多年島狀凍土路基熱穩(wěn)定性的影響效果。
　　5.通過對(duì)多年島狀凍土路基豎向位移“突變效應(yīng)”及側(cè)向位移“熱縮效應(yīng)”的試驗(yàn)與分析，指出了在凍融過程中的豎向位移突變應(yīng)存在著土體強(qiáng)度衰減及土中

7、水分遷移兩個(gè)進(jìn)程，而側(cè)向收縮變形則主要是由于路基解凍初期土體內(nèi)大量孔隙水的側(cè)向排出所導(dǎo)致的，根據(jù)其各自發(fā)生機(jī)理，分別提出了相應(yīng)的位移增量計(jì)算公式，并對(duì)多個(gè)斷面由于地溫變化導(dǎo)致凍土強(qiáng)度衰減而引起的豎向突變位移進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　6.在充分分析現(xiàn)有預(yù)測(cè)理論及方法應(yīng)用效果的基礎(chǔ)上，將支持向量機(jī)(SVM)原理應(yīng)用于多年島狀凍土路基融沉變形預(yù)測(cè)中，并以實(shí)際工程為載體，利用MATLAB數(shù)據(jù)分析軟件構(gòu)建了基于支持向量機(jī)(SVM)原理的凍土路基融沉