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原文传递基于融沉变形的青藏高原多年冻土区高速公路路面结构优化研究

论文题名：	基于融沉变形的青藏高原多年冻土区高速公路路面结构优化研究
关键词：	融沉变形;青藏高原;高速公路;路面结构
摘要：	青藏高原多年冻土区修建高速公路后，由于使用宽幅路基，总吸热面积和总体积热容均会大幅增加，导致融沉效应的加剧，严重影响着路面结构的使用寿命。针对多年冻土区宽幅路基融沉变形造成的路面结构开裂问题，本文利用有限元法模拟宽幅路基的温度场、融沉变形的变化规律，从路基路面一体化角度分析路基融沉对路面结构的损伤行为和损伤演化过程，并从路面材料和结构的角度对多年冻土地区高速公路路面结构进行优化。文章主要包括以下几个方面的内容: 　　(1)通过分析多年冻土区宽幅路基的特点，提出温度场分析的基本方程、计算参数、边界条件以及初始条件等，并以有限元理论为基础，利用ABAQUS及其二次开发平台建立了基于第二类、第三类温度边界条件下多年冻土区的温度场有限元计算模型，利用该模型对宽幅路基温度场进行研究，评价窄幅路基现有的降温措施对宽幅路基的适用性。结果表明，多年冻土区高等级公路的宽幅路基与低等级公路的窄幅路基相比，具有更快的升温速度、较差的热稳定性，并且对下伏天然冻土的热扰动更大。多年冻土区公路由窄幅路基变为宽幅路基时，不仅会导致多年冻土上限下移，还会造成冻土融化的不均匀性加剧。与其它三类宽幅路基相比，采用了EPS隔热层以及碎石层的复合路基考察点温度最低，温度升高幅度最小，热稳定性最好。　　(2)通过对冻土本构力学模型进行研究，选取EP本构模型来模拟冻土本构，并通过编写UMAT子程序使其在ABAQUS中实现，进而以宽幅路基温度场计算结果为基础，采用顺序耦合法，建立水热力三场耦合融沉变形有限元计算模型，分析多年冻土区宽幅路基融沉变形的变化规律。结果显示，随着时间的增加路基中心线处和左侧边坡位置处融沉变形均呈线性增加，且路基中心线处增加的更快。路基宽度由10m依次增加到18m、26m、34m、42m、50m时，横向融沉曲线逐渐由二次曲线向“盆状”曲线过渡。路基高度每增加1m，路基顶部融沉变形平均增加7.1cm。对于不同高度路基，随着路基宽度的增加，差异融沉变形均是先增加后减小，且最大差异沉降对应的宽度均在18m～26m之间。现有的多年冻土区路基降温措施虽然可以提高路基的热稳定性，但是会增加路基的不均匀融沉变形。因此，有必要研发新的多年冻土区路基降温措施，使其不仅可以降低路基（特别是宽幅路基）的温度，还能减小温度分布的不均匀性对路面结构的不利影响。　　(3)在路基温度场有限元模型和融沉变形有限元模型的基础上，结合损伤力学的基本理论，建立了考虑融沉效应的路面结构疲劳损伤模型，进而分析了路基融沉变形以及车辆荷载作用下路面结构的损伤行为和损伤演化过程，并研究了融沉效应对沥青路面各设计指标的影响。结果表明，车辆荷载与融沉变形附加应力的耦合作用使路面结构损伤度急剧增加，远大于车辆荷载或者融沉变形单独作用下路面结构的损伤。对于多年冻土区路面结构，在早期车辆荷载对路面结构的影响要大于融沉效应对路面结构的影响，占路面结构损伤的主要部分。随着时间的增加，融沉效应对路面结构的损伤影响越来越大，在后期对路面结构寿命起到决定性作用，即使没有车辆荷载的作用，路面结构在融沉效应作用下依然会发生破坏。　　(4)分别从路面材料和结构的角度对多年冻土区高等级公路路面进行优化，首先对低导热面层材料进行研究，并对其路用性能和阻热效果进行评价，而后在此基础上提出“反-阻-通”耦合路面路基一体化降温结构，并利用多年冻土区宽幅路基温度场有限元模型评价对其对宽幅路基的降温效果，然后从路面结构优化角度，提出高性能路面结构组合，并利用考虑融沉变形的路面结构损伤模型对不同路面结构寿命进行对比分析。结果表明，低导热面层中生蛭石粉的含量不宜超过12％，加入生蛭石粉后沥青混合料路用性能变化不大，且均满足规范要求。与未添加生蛭石粉的试件相比，加入生蛭石粉的沥青混合料内部温度均有所降低，因此通过在沥青下面层添加生蛭石粉而得到的低导热面层具有良好的阻热效果。“反-阻-通”耦合路面路基一体化降温结构由反射涂层、低导热面层以及通风散热路基三部分组成，并且对宽幅路基具有良好的处治效果。本文提出的高性能路面结构组合（4cmAC-13C+5cmAC-20C+12cmATB-25+6cmAC-13C+18cm级配碎石+20cm水泥稳定碎石）对融沉变形具有较强的适应能力，可应用于青藏高速公路的建设。　　总之，本文提出的有限元模型可以实现对多年冻土区高等级公路宽幅路基温度场、融沉变形以及路面结构损伤度的预估，提出的路面优化措施可以有效提高路面结构的寿命。本文的研究为多年冻土区高等级公路的修筑提供了理论基础和科学依据。
作者：	汤涛
专业：	交通运输工程；道路与铁道工程
导师：	黄晓明
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文