为保护青藏高原多年冻土区宽幅路基或高等级路基中心下冻土热稳定性,提出了利用路基中间隔离带安装热管的措施.根据青藏高原多年冻土区宽幅路基或高等级公路实际的气温和地质条件,对近20年的数据进行了模拟分析.结果表明:在年平均气温为-4.0℃的青藏高原多年冻土区,考虑未来50年气温上升2.6℃的条件下,在路基中间隔离带安装热管能够有效抬升路基中心下人为冻土上限,确保高温多年冻土区宽幅路基或高等级路基的热稳定性.
针对多年冻土层地区公路路基易发生沉降变形、裂纹等问题。以某工程项目为对象,通过现场实测数据和有限元法建立不同温度场合宽幅下的公路路基模型,分析公路路基的变形、位移状态。研究结果表明:随着温度降低,宽幅复合式基层路面结构的路基高温区和0℃冻结线逐渐下移,在11月份的路基整体结构层均处于冻结状态,低温作用下导致结构脆性增加,易产生开裂。宽幅复合式基层路面具有显著的"吸热、保温"效应,在路基内部形成范围较大的高温区,导致多年冻土路基结构稳定性下降,在水、热和交通荷载作用下产生结构变形和路基沉降明显大于窄幅基层路面,因此在实际施工过程中,采用窄幅公路路基具有更高的结构稳定性。
为明确中低纬度高海拔多年冻土区"宽厚黑"路面结构和路面类型对路基路面体系温度场的影响规律,在青藏高原高温多年冻土区分别铺筑了窄幅和宽幅沥青路面-路基温度场监测试验段,对两种尺度路基路面体系不同深度和横向位置处以及天然大地不同深度处温度状况进行3年连续观测和统计分析。结果表明:宽幅路面沥青层年温度波动幅度高于窄幅路面,且波动幅度差异随路面结构层深度增加而减小;新建公路路基填土会经历持续2年以上的初期冻融放吸热不稳定阶段;高填方宽幅沥青路面-路基体系吸热面积与散热面积的同时增加导致宽幅路基路面体系不同横向位置和深度处温度场更为复杂;沥青路面宽度从5m增加到24.5m导致最大融化深度增加量在1.5～2.0m。在中低纬度高海拔多年冻土区设计宽幅公路路基填土高度时应考虑具体路基断面特点,计算极端天气下的宽幅路基路面体系从建设期到稳定期的温度场,保证阳面路肩一侧融化深度始终满足要求
为研究黑色沥青路面吸热对多年冻土区宽幅路基的热影响问题,以共和～玉树公路宽幅路基为原型,进行了室内模型试验,研究了多次冻融循环作用下沥青路面吸热对宽幅路基温度场与变形分布影响。研究结果表明:经过3个冻融循环周期的运行,沥青路面下伏土体温度逐渐升高,具体表现在0℃等温线位置出现明显下降,其中,第一周期融化结束时路中部位0℃等温线处于72cm深度位置,第二周期融化结束时0℃等温线处于39cm深度位置,第三周期结束时路中部位冻土几乎全部消失;沥青路面吸热导致冻土融化产生变形,经历3次冻融循环以后路中顶面、左路肩顶面变形量依次达到49.92mm、43.24mm;路基变形分布中饱冰冻土层变形占总变形比例最大,其次为浅地表层变形,最后为路基填土变形。
为了揭示地气温影响下青藏高原多年冻土区宽幅路基内的复杂耦合换热机理,针对典型工况条件下冻土路基内温度场的分布特征及其随时间的变化规律开展了数值研究。将冻土路基的外部环境影响纳入研究模型,通过建立统一的地气耦合系统的二维非稳态计算模型,分析了路面宽度、风速、路基高度和走向等因素对冻土路基各表面温度年际变化特征的影响规律。研究结果表明:路基各表面的温度均大致呈正弦变化趋势,其中沥青路面始终保持较高温度,而天然地表温度在5月上旬和10月上旬出现明显阶跃变化;随着路面宽度的增加,路基各表面的年平均温度随之增加,而随着风速及路基高度的增加而降低,其中尤以沥青路面及两侧土路肩处的降低趋势最为明显;路基边坡处的年均温度与路线走向密切相关,在3种路线走向中,东西走向路基的右侧坡面和左侧坡面年平均温度分别出现最大值和最小值。
为研究多年冻土区G214高等级公路中隔热层、片石层对24 m宽路基的热影响效果,根据多孔介质的热对流及考虑相变的传热理论,分别对两种结构路基的温度场进行了模拟分析。计算结果表明:当路基宽度从12 m增加到24 m时,隔热层厚度应从10 cm增加到30 cm才可确保路基下冻土上限的稳定,但保温层所产生的热积累效应将使路基下冻土温度明显升高,且高温冻土核范围较大。从工程措施的可靠性及工程费用角度考虑,EPS隔热层不适用于G214宽幅路基中。如采用厚度大于1.8 m的片石层,则可稳定路基下冻土上限和增加冻土的冷储量,但同时要加强对路基边坡的热防护。
高速公路路基幅面宽度的成倍增加,沥青路面的吸热效应更为显著,工程对其下伏多年冻土的热影响更为显著.热棒、热棒保温板复合结构等传统工程措施能否保护宽幅高速公路下冻土稳定是一个亟待回答的问题.根据带相变热传导有限元方法,对共和-玉树高速普通路基、热棒路基和热棒保温板复合结构路基在未来全球变暖情形下的地温场特征进行了数值模拟分析.结果表明:在年平均气温为-3.5℃或地表年平均温度为-1℃的多年冻土地区,普通路基和热棒路基在全球变暖条件下路基下伏冻土都将发生融化,宽幅公路路基将会产生显著融沉变形,不能保证宽幅公路路基20 a使用期内的稳定性.热棒保温板复式结构显示了较好的冷却路基效果,在第20年路基下多年冻土人为上限高于原天然上限,路基下富冰冻土仍处于冻结状态,可以保证宽幅沥青公路在服务期内的热稳定性.
多年冻土区沥青路面的吸热量与幅宽密切相关,因此不同幅宽沥青路面的路基水热变化状况也存在一定的差异。该文基于青藏公路楚玛尔河宽幅路基地温观测数据,对宽幅(13.5m)及窄幅(10.0m)路基不同部位温度场、水分场的变化特征进行了对比分析。研究表明,路基宽度对活动层温度、水分含量的变化有一定的影响,表现出较为明显的聚热、聚水效应。