路基沉降是多年冻土区道路建设中需要解决的关键问题之一。以往对冻土路基稳定性的研究主要集中于冻土路基变形与热稳定性等方面,对冻土路基沉降的力学机制关注较少。采取数值模拟方法,对冻土路基变形过程进行模拟,并从力学角度阐明路基变形机制。结果表明,路基填筑引起的应力重分布主要集中在垂直方向0～-3m、水平方向路基范围内;在附加应力作用下,活动层会产生沉降变形;路基变形主要来自于多年冻土层的融化固结,其次是高温冻土的蠕变,最后是活动层的压缩;冻土路基下不同层位的变形量有所区别,且开始产生变形的时间也不同;降低年平均地温,能够有效地减少路基变形。

在多年冻土地区修建道路有许多特殊的工程地质问题。根据多年的数据调查发现,随着全球气候变暖,路基下多年冻土升温,导致冻土上限下降,冻土开始逐渐退化融沉,由此导致的路基病害仍在发展,最突出的问题是热融沉陷。冻土融沉导致路基不均匀沉降,最终引发沥青道面产生形变,导致纵向裂缝和横向裂缝等多种病害。在对多年冻土地区沥青路面病害破损资料调查的基础上,就上述问题进行了进一步的分析。

研究目的:青藏铁路穿越连续多年冻土区546.43km,防止多年冻土融沉是青藏铁路路基工程设计施工面临的首要技术难题。为指导设计与施工,在青藏铁路多年冻土区工程大规模施工前,在具有代表性的北麓河、清水河、安多3个试验段,先期进行片石气冷、片石及碎石护坡、热棒、通风管路堤等主动保护多年冻土路基结构的试验研究。研究结论:片石气冷、片石及碎石护坡、热棒、通风管路堤通过改变路基的结构和填料,调节辐射、对流、传导所传输的能量,增加多年冻土地基的冷储量,改善多年冻土地基的热状况,防止多年冻土地基融沉,是保护多年冻土的有效工程措施,适用于多年冻土区路基工程。青藏铁路格拉段多年冻土区路基长380.30km,其中片石气冷、碎石护坡、路基设置热棒的长度分别为117.69km、127.00km、32.0km。青藏铁路主动保护多年冻土路基结构试验工程至少已经过6个冻融循环,未发现路基融沉病害;2006年7月后,多年冻土区列车以100km/h速度的平稳运行,证明了经主动保护的多年冻土路基结构稳定可靠。

通过青藏高原多年冻土地区气温、植被及人为活动等因素对多年冻土上限影响的分析,提出了青藏公路路基稳定性的防护措施。

使用有限元法和解析法分析了多年冻土地区路基融沉引起的路面附加应力 ,将两种方法的计算结果进行了对比 ,给出了附加应力计算的解析表达式 ,分析了路面结构参数对附加应力的影响 ,对多年冻土地区路基路面设计提出了建议