季節(jié)性凍土地區(qū)飽和路基粉質(zhì)黏土凍脹變形的試驗研究.pdf

1、在季節(jié)性凍土地區(qū)，路基的凍脹問題十分突出。路基凍脹是誘發(fā)道路病害的關(guān)鍵因素，是影響路基承載力和路面平整度的典型病害，始終制約著道路的穩(wěn)定性和耐久性。隨著“一帶一路”宏偉構(gòu)想的提出，寒區(qū)高速公路的建設(shè)得到大力推進，路基的穩(wěn)定性和耐久性面臨新的挑戰(zhàn)。為此，路基土凍脹發(fā)展機理的研究及凍脹變形的預(yù)估，是控制凍脹變形和避免凍脹病害的關(guān)鍵問題。
　　本論文圍繞季節(jié)性凍土地區(qū)路基土的凍脹問題，以提高路基的穩(wěn)定性和耐久性為目標，針對路基土凍脹發(fā)展

2、規(guī)律和凍脹預(yù)估等問題，采用現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，闡述了路基凍脹對路面的危害及其影響因素，研究了凍脹變形的發(fā)展規(guī)律、影響因素及內(nèi)在機理，建立了正凍土凍脹預(yù)估模型。本論文的主要研究內(nèi)容和研究成果如下：
　?。?）對東北地區(qū)的五條典型公路進行凍害調(diào)查，分析了路基凍脹對路面的危害及其對道路穩(wěn)定性和耐久性的影響，闡明了路基凍脹的影響因素。分析表明：季節(jié)性凍土地區(qū)的道路凍害分布廣泛，道路凍害的分布與路基填挖類型有

3、關(guān)；路基凍脹直接影響路面的平整度和整體性，降低路面的承載能力，縮短路面的使用壽命；凍脹變形的發(fā)展與環(huán)境荷載和土體參數(shù)直接相關(guān)，其中，溫度荷載和水分補給是路基凍脹的必要條件，土質(zhì)類型、細粒含量、壓實度、上覆壓力等是影響凍脹發(fā)展的關(guān)鍵因素，面層的材料、厚度和孔隙率是影響凍脹的間接因素。
　　（2）基于季節(jié)性凍土地區(qū)路基凍脹的基本特征，提出了土體凍脹試驗系統(tǒng)的基本要求；在考慮應(yīng)力狀態(tài)、溫度荷載和補水條件的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計并研發(fā)了多功能室

4、內(nèi)土體凍脹試驗系統(tǒng)。該試驗系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在：采用內(nèi)循環(huán)冷浴和雙邊控溫模式，確保控溫的穩(wěn)定性；提供滑動絕熱裝置，保證熱量的一維傳遞；設(shè)計密封的土水系統(tǒng)，保證水分遷移的順暢；采用精密氣動裝置，確保上覆壓力的可調(diào)。該系統(tǒng)可動態(tài)監(jiān)測多孔材料在多種凍結(jié)/融化工況下的溫度、壓力和變形數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)了室內(nèi)凍脹試驗的重現(xiàn)性和規(guī)律性。
　?。?）針對不同的冷端溫度、上覆壓力、補水條件和壓實度，開展了飽和粉質(zhì)黏土的凍脹試驗研究。基于試驗結(jié)果，分析了飽和

5、正凍土的溫度分布規(guī)律、凍脹發(fā)展規(guī)律和水分重分布規(guī)律，及其影響因素。研究表明：隨著凍結(jié)作用的發(fā)展，凍結(jié)鋒面向下移動，凍結(jié)厚度和凍脹變形不斷增大，試件內(nèi)部發(fā)生水分重分布現(xiàn)象，直至凍結(jié)達到穩(wěn)定狀態(tài)；冷端溫度是影響溫度分布、凍脹發(fā)展和水分遷移的主要因素；上覆壓力對凍脹發(fā)展和水分遷移起抑制作用，對溫度分布的影響較小；補水條件是影響凍脹發(fā)展和水分遷移的重要因素，對溫度分布的影響較??；壓實度對溫度分布、凍脹發(fā)展和水分遷移的影響較小。
　?。?）

6、基于飽和粉質(zhì)黏土的室內(nèi)凍脹試驗研究，分析了土體凍結(jié)過程中凍脹特性和溫度分布的發(fā)展規(guī)律，在明確凍脹變形隨水-溫分布變化規(guī)律的同時，采用統(tǒng)計回歸方法明確了飽和正凍土凍脹發(fā)展的內(nèi)在機制?；趦鼋Y(jié)速率和溫度梯度的關(guān)系，在Takashi模型中引入溫度梯度、冷端溫度和壓實度參數(shù)，建立了飽和粉質(zhì)黏土的凍脹率經(jīng)驗預(yù)估模型。研究表明：凍結(jié)深度和凍脹變形的發(fā)展與溫度分布直接相關(guān)；溫度梯度可以準確表征凍土區(qū)內(nèi)的溫度狀態(tài)；正凍土的凍結(jié)速率和凍脹速率與溫度梯度成

7、對數(shù)關(guān)系，凍脹率與溫度梯度成指數(shù)關(guān)系；飽和粉質(zhì)黏土凍脹率經(jīng)驗預(yù)估模型的預(yù)估結(jié)果準確可信。
　?。?）針對飽和正凍土凍脹發(fā)展的預(yù)估問題，基于考慮相變的非穩(wěn)態(tài)溫度場控制方程、水分遷移控制方程和應(yīng)力應(yīng)變控制方程，在合理選擇物理場邊界條件的基礎(chǔ)上，建立了飽和粉質(zhì)黏土凍脹變形的溫-濕耦合模型；結(jié)合土體凍脹試驗結(jié)果，對溫-濕耦合模型的溫度和變形預(yù)估結(jié)果進行了驗證。結(jié)果表明：溫-濕耦合模型可以準確預(yù)估單向凍結(jié)條件下飽和粉質(zhì)黏土的溫度分布、最大凍