为适应青藏高原多年冻土区恶劣环境,应对高原多年冻土区路基融沉变形局部变位大、纵向形态变化急剧、分布范围广等问题,有必要研发一套高精度、高韧性、适应大变形并具有自动化功能的高等级公路病害监测体系。该文以布拉格光栅光纤传感监测技术为基础,提出光栅光纤位移阵列传感器设计方法,基于克里金空间插值理论,选取最小估计均方差、平均预测精确度作为变形场预测的评估因子,结合监测成本估算开展光纤阵列优化布置分析,提出基于空间插值优化的冻土路基变形场自动化监测系统。研究结果表明:光栅光纤位移阵列传感器优化设计参数为横向间距2 m、纵向间距4～6 m,结合克里金空间插值理论,可实现由点及线、由线及面的冻土路基浅层、深层区域变形精准监测和预估;设计的光栅光纤位移阵列传感器具有测量精度高、可变大量程、稳定耐用等优点,易于搭建可扩充、可复制的长期组网监测体系,对实现冻土路基区域性大变形的自动化监测和不均匀沉降灾害的云端化识别具有借鉴意义。

为了研究季节冻土路基温度场及变形场的动态变化规律,利用FLAC3D软件及内嵌的FISH语言,编写了路基计算参数随温度变化的程序,对兰新二线典型冻土路基的冻融变形问题进行了更准确的模拟分析。通过建立路基计算模型,对路基温度场与实测资料进行了对比分析,验证了模拟方法的有效性与可靠性;通过模拟不同高度的路基在冬、夏季时的冻融变形情况,得出路基高度H是影响冻土地区路基热稳定性的重要因素。研究表明:路基高度H不同,路基上各点的冻融变形随时间的变化规律相同,而变形量均不相同;冻融引起的路基表面和内部沿深度方向各点的变形差别很大;最后通过比较得到既符合路基稳定性又符合工程经济性的最佳路基高度,对冻土路基的设计和施工有一定指导意义。

冻土路基土体的物理性质与温度有密切关系,在不同的季节,路基内的变形场和应力场会相应发生变化.为了说明路基内变形场和应力场的季节性差异,以青藏铁路某断面为例,对冻土路基在有、无列车荷载两种工况下进行了数值模拟,系统分析了两种工况下路基内的变形场和应力场特点.结果表明:路基修筑后,在自重作用下会产生较大瞬时变形;由于路基内温度场随时间变化,路基内各点的位移也随时间发生变化,且位移时程曲线与温度时程曲线大体呈负相关.在有、无列车两种工况下路基竖向位移分布都是由道砟中心向路基内部逐渐减小,但数值明显不同;由列车荷载引起的最大竖向附加变形发生在路基顶面中心点,在10月15日、1月15日、4月15日,变形量分别为-4.94 mm、-3.24 mm、-2.56 mm.对于路基底面中心点和地基浅层中心点,由列车荷载引起的附加应力在10月15日最大、1月15日次之、4月15日最小,附加应力最大达到19.48 kPa;列车荷载主要影响路基上部土体应力分布,对下部土体应力分布影响较小.

基于冻土路基温度场的控制方程,考虑水分转化为冰的相变作用对土体瞬时变形和蠕变变形的影响,建立路基应力和变形的二维数值方程,并通过1月份的路基冻胀力学模型,分析冻胀带内水分相变引起的路基应力和变形的分布规律。研究发现,在冻胀区域一定的情况下,冻胀率的大小决定了路基表面应力和变形的极值大小;竖向位移的最大值在坡脚处产生,并向路基中部和左侧边界逐渐递减;随着冻胀率的增加,路基表面裂缝有从坡脚向路中发展的趋势;路基表面产生最大拉应力的位置与最大竖向位移的位置基本吻合;路中所承受的拉应力主要发生在水分集聚的相变带范围内。结果表明,相变作用是引起路基发生冻胀病害的直接因素,分析路基应力与变形的分布规律是研究多年冻土路基破坏机理的有效方法。

多年冻土活动层中每年都发生着季节的融化和冻结,并伴生有各种冻土现象。由此产生了多年冻土路基冻胀、融沉、纵向裂缝、反拱及波浪等一系列病害。冻土的冻胀融沉特性是导致道路工程冻害的直接原因,为了进一步定量描述其特性,本文建立了冻土路基变形场的二维数值计算模型,并应用有限元的方法求解路基土体冻结时变形场的分布规律。通过对土基范围内冻胀带对路基土体变形场作用的研究,进一步分析了冻土路基破坏的机理。

青藏高原多年冻土区斜坡失稳是伴随着青藏公路建设和运营过程中出现的一种灾害性的地质现象,其中以热融滑塌最为显著。本文根据斜坡失稳时所处的环境以融滑塌为例,提出了冻融循环过程中流塑状粉土沿厚层地下冰面滑动的滞水润滑效应的形成机理;通过相似模拟试验,可以看出,垂直于坡面的变形主要表现为融沉变形和部分冻胀变形;建立了温度场、变形场的数值模拟模型,分析了坡体不同深度在冻融循环过程中的位移变化规律,得出冻土斜坡位移主要发生在浅部的结论。最后指出目前研究存在的主要问题及进一步的研究方向。

为了研究冻土的冻胀特性对公路路基稳定性的影响,建立了冻土路基变形场及应力场的二维数值计算模型,并应用有限元法求解路基土体冻结时变形场和应力场的分布规律.分析了土基范围内冻胀带对路基应力场和变形场的作用,并计算了不同冻胀带范围对路基顶面变形场和应力场的影响.结果表明:冻胀带的存在是引起路基病害的直接原因,不同冻胀带范围将引起路基产生不同类型及不同规模的破坏,位于路面以下的冻胀带属于敏感冻胀带范围.