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原文传递多年岛状冻土路基热稳定性及融沉预测的研究

论文题名：	多年岛状冻土路基热稳定性及融沉预测的研究
关键词：	高速公路;多年岛状冻土路基;热稳定性;融沉变形预测
摘要：	我国多年冻土区面积约占国土面积的1/5，主要分布在青藏高原和东北大、小兴安岭地区，国内以往对多年冻土工程的研究主要集中在以青藏高原为代表的西部地区，然而东北大、小兴安岭地区的多年冻土与青藏高原等西部地区的多年冻土有着明显不同。西部地区的多年冻土主要受海拔高度控制，一般较为连续，且冻土体量大，路基差异性变形相对较小;而东北地区的多年冻土则具有明显的纬度地带性特点，冻土体量小，连续性差，多呈岛状分布，且属高温冻土，热敏感性高，退化速度快，在工程实践中，其病害在发生时间、发展速度、损伤过程及破坏程度等方面也存在着较大差别。因此，应进一步研究符合高纬度地区冻土特点的工程技术理论，然而多年岛状冻土路基的热稳定性是一个极其复杂的问题，是一个至今仍未彻底解决的工程难题，尤其是具有宽幅路面的高等级公路，由于其对地基土的热扰动较为强烈，所引发的工程问题也更为复杂。　　本文依托交通运输部科技项目“冻土融化和山体滑坡路段高速公路加宽扩建工程路基稳定性技术研究”（项目编号:2011318223630），以及黑龙江省交通厅重点科研项目“高纬度岛状多年冻土区高速公路路基设计与施工技术研究”（项目编号:2009-019），通过试验对比、理论分析及数值模拟对多年岛状冻土路基的地温变化特征和位移反映过程进行了深入研究，提出了多年岛状冻土路基位移场的年周期性地温响应规律及路基变形的“突变效应”和“热缩效应”，并将支持向量机原理应用于冻土路基的融沉变形预测中，提出了一种更为有效的新型预测方法。本文的主要研究内容及创新成果如下: 　　1.通过对冻土路基热稳定性影响因素的分析及试验，发现多年岛状冻土路基地温场及位移场年周期内的变化规律具有明显的阶段性特点，根据实测数据，将路基位移场的年周期性地温响应过程划分为冻结阶段，过渡阶段及融化阶段。　　2.通过对多年岛状冻土路基热状况、相变速率，以及冻土单轴拉伸特性、侧向变形性质的分析，分别构建了含有相变及水分迁移过程的冻土路基地温控制方程，以及竖向位移、侧向位移的理论计算模型;并采用有限元分析软件对多年岛状冻土路基的路基瞬态地温场及位移场进行了数值模拟。　　3.通过对路基两侧坡面施加不同的热流密度条件，实现了对多年岛状冻土路基坡向性效应的数值模拟，模拟结果表明随着路基两侧坡面温差的增大，路基地温场及位移场的不对称特征愈加明显，根据不同热差异时的路基地温场及位移场的等值线分布图，分别对冻结状态和融化状态下路基的坡向性地温特点、位移变化特征及可能诱发的路基病害进行了深入分析。　　4.通过对试验数据的整理与分析，得出了多年岛状冻土路基内各关键节点处地温及位移的年周期性变化情况及特征差异，并对实测值与数值模拟结果的偏差原因进行了分析，从而验证了理论计算方法的可行性;在此基础上，通过对不同设计参数的冻土路基地温及位移年周期性变化曲线的分组对比，得出了覆土厚度、含冰量及地基加固措施对多年岛状冻土路基热稳定性的影响效果。　　5.通过对多年岛状冻土路基竖向位移“突变效应”及侧向位移“热缩效应”的试验与分析，指出了在冻融过程中的竖向位移突变应存在着土体强度衰减及土中水分迁移两个进程，而侧向收缩变形则主要是由于路基解冻初期土体内大量孔隙水的侧向排出所导致的，根据其各自发生机理，分别提出了相应的位移增量计算公式，并对多个断面由于地温变化导致冻土强度衰减而引起的竖向突变位移进行了验证。　　6.在充分分析现有预测理论及方法应用效果的基础上，将支持向量机(SVM)原理应用于多年岛状冻土路基融沉变形预测中，并以实际工程为载体，利用MATLAB数据分析软件构建了基于支持向量机(SVM)原理的冻土路基融沉变形预测模型，并通过与实测值及其他预测模型预测结果的对比表明，SVM预测模型具有较强的预测能力，能够较好的解决多年岛状冻土路基影响因素多，样本数量少等带来的预测难题。
作者：	常继峰
专业：	林区交通工程
导师：	孙全胜
授予学位：	博士
授予学位单位：	东北林业大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文