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原文传递公路涎流冰形成机理与防治技术研究

论文题名：	公路涎流冰形成机理与防治技术研究
关键词：	公路涎流冰;形成机理;冻结模型;模糊评价
摘要：	公路涎流冰是我国北方寒冷山区公路工程的主要病害之一，它的出现会引发公路龟裂、水毁、翻浆、冻胀、堑坡不稳定等一系列危害。本文依托铜川至黄陵高速公路建设项目，在地形地貌与地层岩性勘测、水文地质调研、病害调查、现场监测、室内外试验、理论分析与数值模拟的基础上，分析各因素对涎流冰形成的影响，研究公路涎流冰的形成机理；评价工程区涎流冰的危害性；提出涎流冰的预测技术；针对传统措施的局限性，提出新型防治措施。主要研究成果如下：　　1.从温度来看，冬季持续的负气温是涎流冰形成的先决条件。从水源来看，充沛的降雨量、较高的地下水位、充足的地下水储量以及丰富的河水流量是涎流冰形成的物质条件。从地形地貌来看，工程区处于低山山地区、低山河谷区、山前坡地的缓坡和山间洼地，有较大的汇水面积，有利于雨水的汇集和渗入，为地下水的径流提供了较大的水力坡度，这是涎流冰形成的地形条件。从地质条件来看，公路涎流冰的形成与修建公路后出现的人为特殊地质构造—扰动三层体有关，并且，以饱水粗粒土为核心的密闭体系的冻结对其形成有着重要的作用。　　2.对土的颗粒级配（渗透性）、温度（冻深）以及地下水位降深进行试验和现场监测，分析这三种因素对涎流冰形成规模和持续时间的影响。　　3.针对饱水粗粒土与饱水细粒土的冻结特征进行了冻结试验。饱水粗粒土冻结时的不冻胀、排水及排水受阻即产生很大静水压力的特性，对公路涎流冰的形成影响很大。饱水细粒土为含水层的情况下不易形成公路涎流冰。饱水粗粒土的冻结是形成公路涎流冰的内部条件，三层体中形成的密闭体系是其形成的外部条件。　　4.分析密闭体中饱水粗粒土的冻结模型，饱水粗粒土在密闭体系中的冻结，就其产生的水压力而言，实质上就是密闭水体的冻结，也就是水冻结成冰体积膨胀受限而产生力的问题。这种体积膨胀产生的力导致约束结构（如薄弱层）的整体性破坏。其压力最终能增长到多少，除了取决于温度下降的程度外，还直接取决于密闭体系本身抵抗破坏的能力。　　5.推导出了密闭三层体冻结层薄弱处的强度条件和变形方程。涎流冰的形成过程其实是一个循环系统作用的结果：冻结→封堵→水力梯度增大→水分积聚→胀破→水流出→结冰，不断的循环往复，在土层表面形成了大规模涎流冰。在形成涎流冰的诸条件中，最关键的是扰动三层体的存在与密闭水体的冻结—压力作用的实现，其它因素只决定其形成规模与持续时间。使用数值软件分析三层体被三次开挖后边坡的渗流情况，验证了涎流冰形成机理的正确性，并从边坡开挖诱发的涎流冰入手，进一步分析涎流冰的形成原因。含水层遭到扰动是公路涎流冰形成的最主要原因，这种扰动主要包括含水层出露、含水层上覆土层减薄以及含水层被压密三种情况。　　6.建立负温条件下涎流冰危害模糊综合评价模型，选取6类18项影响因素指标，对铜川至黄陵地区涎流冰危害性进行模糊综合评价。得出影响形成涎流冰因素的权重：水文条件＞地质条件＞人为因素＞温度＞地形地貌＞降雨，发现该地区涎流冰发育处于非常严重状态。　　7.依据公路涎流冰形成规律提出公路涎流冰预测技术，以及混合型涎流冰预报模型和潜水型涎流冰预报模型，具有简单、实用、可操作性强等特点，满足公路工程的迫切需要。　　8.鉴于传统防治措施的局限性，针对路堑边坡提出两种新型防治措施，分别为渗沟与仰斜式集水孔结合防治措施、蓄冰沟与渗井结合防治措施；针对低填方路基提出多出水口防冰系统。使用ANSYS软件对仰斜式集水管的合理埋深进行了计算，发现在铜黄高速公路，边坡仰斜式集水管道合理埋置深度是0.9m。使用Midas/GTS软件对蓄冰沟与渗井措施进行应力与渗流耦合数值模拟分析，发现工后坡面的水头、孔隙水压、渗流速度以及位移和工前相比都明显减小。从工后的观测来看，坡面夏季渗水量和冬季涎流冰体积大幅减小。使用ANSYS软件对多出水口防冰系统进行路基温度场模拟分析，表明使用新保温措施的排水通道，在最不利的条件下仍能顺利排水。　　9.针对五处病害较严重路段，分别研究设计了积冰法与挡冰法、含水层侧移分流法、桥梁涵洞跨越法、保温渗沟法以及含水层延续法进行防治，工后效果良好。
作者：	张浩
专业：	岩土工程
导师：	折学森;周志军
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文