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原文传递季节性冻土地区饱和路基粉质黏土冻胀变形的试验研究

论文题名：	季节性冻土地区饱和路基粉质黏土冻胀变形的试验研究
关键词：	季节性冻土地区;公路路基;饱和粉质黏土;冻胀变形;温度分布
摘要：	在季节性冻土地区，路基的冻胀问题十分突出。路基冻胀是诱发道路病害的关键因素，是影响路基承载力和路面平整度的典型病害，始终制约着道路的稳定性和耐久性。随着“一带一路”宏伟构想的提出，寒区高速公路的建设得到大力推进，路基的稳定性和耐久性面临新的挑战。为此，路基土冻胀发展机理的研究及冻胀变形的预估，是控制冻胀变形和避免冻胀病害的关键问题。　　本论文围绕季节性冻土地区路基土的冻胀问题，以提高路基的稳定性和耐久性为目标，针对路基土冻胀发展规律和冻胀预估等问题，采用现场调查、室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，阐述了路基冻胀对路面的危害及其影响因素，研究了冻胀变形的发展规律、影响因素及内在机理，建立了正冻土冻胀预估模型。本论文的主要研究内容和研究成果如下：　　（1）对东北地区的五条典型公路进行冻害调查，分析了路基冻胀对路面的危害及其对道路稳定性和耐久性的影响，阐明了路基冻胀的影响因素。分析表明：季节性冻土地区的道路冻害分布广泛，道路冻害的分布与路基填挖类型有关；路基冻胀直接影响路面的平整度和整体性，降低路面的承载能力，缩短路面的使用寿命；冻胀变形的发展与环境荷载和土体参数直接相关，其中，温度荷载和水分补给是路基冻胀的必要条件，土质类型、细粒含量、压实度、上覆压力等是影响冻胀发展的关键因素，面层的材料、厚度和孔隙率是影响冻胀的间接因素。　　（2）基于季节性冻土地区路基冻胀的基本特征，提出了土体冻胀试验系统的基本要求；在考虑应力状态、温度荷载和补水条件的基础上，自主设计并研发了多功能室内土体冻胀试验系统。该试验系统的优势体现在：采用内循环冷浴和双边控温模式，确保控温的稳定性；提供滑动绝热装置，保证热量的一维传递；设计密封的土水系统，保证水分迁移的顺畅；采用精密气动装置，确保上覆压力的可调。该系统可动态监测多孔材料在多种冻结/融化工况下的温度、压力和变形数据，并实现了室内冻胀试验的重现性和规律性。　　（3）针对不同的冷端温度、上覆压力、补水条件和压实度，开展了饱和粉质黏土的冻胀试验研究。基于试验结果，分析了饱和正冻土的温度分布规律、冻胀发展规律和水分重分布规律，及其影响因素。研究表明：随着冻结作用的发展，冻结锋面向下移动，冻结厚度和冻胀变形不断增大，试件内部发生水分重分布现象，直至冻结达到稳定状态；冷端温度是影响温度分布、冻胀发展和水分迁移的主要因素；上覆压力对冻胀发展和水分迁移起抑制作用，对温度分布的影响较小；补水条件是影响冻胀发展和水分迁移的重要因素，对温度分布的影响较小；压实度对温度分布、冻胀发展和水分迁移的影响较小。　　（4）基于饱和粉质黏土的室内冻胀试验研究，分析了土体冻结过程中冻胀特性和温度分布的发展规律，在明确冻胀变形随水-温分布变化规律的同时，采用统计回归方法明确了饱和正冻土冻胀发展的内在机制。基于冻结速率和温度梯度的关系，在Takashi模型中引入温度梯度、冷端温度和压实度参数，建立了饱和粉质黏土的冻胀率经验预估模型。研究表明：冻结深度和冻胀变形的发展与温度分布直接相关；温度梯度可以准确表征冻土区内的温度状态；正冻土的冻结速率和冻胀速率与温度梯度成对数关系，冻胀率与温度梯度成指数关系；饱和粉质黏土冻胀率经验预估模型的预估结果准确可信。　　（5）针对饱和正冻土冻胀发展的预估问题，基于考虑相变的非稳态温度场控制方程、水分迁移控制方程和应力应变控制方程，在合理选择物理场边界条件的基础上，建立了饱和粉质黏土冻胀变形的温-湿耦合模型；结合土体冻胀试验结果，对温-湿耦合模型的温度和变形预估结果进行了验证。结果表明：温-湿耦合模型可以准确预估单向冻结条件下饱和粉质黏土的温度分布、最大冻胀变形和冻胀率。
作者：	马宏岩
专业：	道路与铁道工程
导师：	冯德成
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文