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原文传递保温法在青藏高原多年冻土区道路工程中的应用评价研究

论文题名：	保温法在青藏高原多年冻土区道路工程中的应用评价研究
关键词：	青藏高原;多年冻土区;保温法;公路路基;铁路路基
摘要：	保温法是调控传导的工程措施，通过修筑路堤、设置保温层可以有效地增加土体热阻，减少路基下多年冻土的换热量，从而延缓冻土退化，在一定时间内起到保护冻土的作用。50多年来各国科学家对保温法进行了大量的室内实验、野外试验和数值模拟研究，但研究缺乏系统性，保温法是否可行、到底在工程中应该如何应用保温法仍是一个困扰冻土工程界的问题。本文采用现场观测试验、室内实验和数值模拟相结合的手段，对典型路基用保温材料PU和EPS的长期可靠性、保温路基设计参数、保温法的适用条件和范围、保温路堑换填设计参数、冻土保温路基的变形场特征、保温板热棒复合结构路基的保护冻土效果及其应用的可行性等进行了深入的探讨，取得的主要成果如下： 1)室内测试结果和现场试验路监测资料均表明，在青藏高原特殊的气候、太阳辐射、水分和行车荷载等条件下，路基中的保温材料能够克服以上影响，其物理力学性质保持稳定，可以在多年冻土区道路工程中长期可靠使用。 2)数值计算结果表明，对于沥青路面保温路基，在满足荷载要求条件下，保温板埋设越浅，保温效果越好。现场长期监测结果表明，保温板的埋设深度在路面下40-50cm可以保证EPS保温板的隔热性能稳定。对于50a使用期的铁路路基，采用低埋深保温板结构更佳。保温路基施工时应避免在季节融化深度较大、气温较高的季节施工。考虑到严寒条件下施工的不便，保温路基可以在活动层回冻后或解冻前施工完成。数值模拟结果表明，保温板越宽，其保温效果越好，但其保温效果的改善程度随宽度的增加而逐渐减弱。公路路基，保温板为0.1m厚EPS时，保温板宽度大于路基顶宽(10.0m)即可达到较好的保温效果。对于50a使用期的铁路路基，宜选用较宽的保温板。保温板厚度对路基中心下最大融化深度的影响在较高路基条件下相差不大，而在路基较低情况下影响较大。综合考虑经济和强度，10cm厚EPS是比较合适的保温板铺设厚度。 3)保温路基在修筑后，其下人为上限一般都大幅上升，若干年后趋于稳定。路基下冻土地温逐渐升高，保温路基下多年冻土处于一种退化状态。对于低温多年冻土地区，保温材料的使用可以延缓多年冻土退化，加强路基的热稳定型，延长路基的使用年限。而被动保护冻土的保温措施不宜在年平均气温或表面温度较高的高温多年冻土区路段使用。计算结果表明，采用不同的保温板厚度和路基填土高度的组合，可以达到相同的保温效果。当年平均气温在-4.0℃～-5.20℃之间时，可以采用保温法保证青藏高原多年冻土区铁路路基的热稳定性。当年平均气温在-4.2℃～-5.90℃之间时，可以采用保温法保证青藏多年冻土区公路路基的热稳定性。地温场对于保温法的适用范围有影响，其影响的大小和路基高度有关。年平均地温对于低路基影响较大，而对于较高填土路基，其影响相对较小。 4)多年冻土区保温路基沉降变形与路基下伏多年冻土的温度状况紧密相关。基于冻土路基热弹塑性融沉压缩本构模型，进行了温度场和变形场的单向耦合分析，对保温路基的结构稳定性进行了验证。计算结果表明，公路保温路基的年均沉降量和总沉降量均小于路基的容许沉降变形，可以保证路基结构稳定性和行车要求。铁路保温路基年均沉降量也小于2.0cm，可以保证青藏铁路多年冻土段的正常运营，可以满足结构稳定性要求。 5)采用一次二阶矩法和蒙特卡洛法对路堑换填深度的可靠度评估结果表明，对于多年冻土区砂砾下垫面路堑，单纯采用砂砾换填不能保证路基下多年冻土的热稳定性，如采用保温换填可以大幅提高路堑的可靠性，采用10.cm的EPS保温层，则可以保证最大融化深度不超过设计深度。 6)保温板热棒复式结构充分利用了两种措施的优点，可以更好的提高保护冻土的效率。计算结果表明，在未来50年气温上升0.2℃的条件下，在年平均气温为-3.5℃或地表温度为-1℃的青藏铁路沿线多年冻土地区，复式结构路基可以抵消气候变暖的影响，可以保证路基下伏冻土不发生融化，从而可以保证路基的稳定性。
作者：	温智
专业：	自然地理学(冻土力学与寒区工程)
导师：	马巍;盛煜
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
学位年度：	2006
正文语种：	中文