在多年冻土地区,路基工程的修筑将对下伏多年冻土的热力稳定性产生显著的影响。为保护多年冻土,保证路基的长期稳定性,通风管作为一种对流换热类主动冷却降温措施被广泛应用。通风管内的对流换热强度与管内风速密切相关,针对这一问题,采用现场监测与数值模拟相结合的方式开展了通风管内风速特征及影响因素的研究。结果表明:随通风管管径的增加,管内风速呈抛物线型增加,当管径达到0.6m后,管内风速增加不再明显;通风管外伸长度对管内风速的影响较小,但随环境风速的增加这一影响逐渐加强;管内风速随通风管的埋设高度的增加呈线性增加,当通风管的埋设高度达到2m后,管内风速受路基高度的影响较小;此外,在两幅路基并行条件下,受上风向路基的遮挡作用,下风向路基管内风速明显降低,以两幅路基管内风速差值不超过0.4m·s-1为标准,路基高度为3m时两幅路基最小间距为50m。

风流场对于局地条件下地-气能量交换过程与强度影响显著,同时也是多年冻土区对流调控类冷却路基的关键环境边界。结合现场监测与数值模拟,对高海拔冻土路基周边风流场进行特征区划研究并考察路基高度的影响。结果表明:坡前扰动区为低风速区,3m路基高度条件下迎风坡坡脚0.5～2.0m高度范围内风速约为环境风速的30%。路基上部为高风速区,迎风坡路肩风速明显大于环境、路面中部及背风坡风速。背风坡坡后扰动区为低风速区,靠近坡脚区域受气流辐散效应作用形成涡旋区,整体风速仅为环境风速的30%。涡旋区水平范围随路基高度增加呈线性增加,3m路基高度条件下涡旋区水平范围约为12m。分离式路基即两幅路基并行条件下,受前幅路基影响后幅路基坡前风速下降明显,以两幅路基坡前风速差值不超过环境风速的10%(0.35m·s-1)为标准,3m路基高度条件下两幅路基最小间距为60m。因此,在路基工程的修建过程中为减少路基间的遮挡所造成的两幅路基间的对流换热强度差异,分离式对流换热类冷却路基的现场修建间距应不低于60m。

为了研究多年冻土区高速公路热管路基的制冷效果及适用范围,建立热管路基水热计算模型,分析不同条件下的热管路基冻土人为上限深度和热稳定状态,并将路基高度、年平均气温、气温年较差3个因素形成组合进行热管的适用范围分析。研究结果表明:对于气温年较差为12℃的冻土区,高度为4 m的热管路基适用于年平均气温低于-5.5℃的区域,高度为3m的热管路基适用于年平均气温低于-5.8℃的区域;对于青藏高原大部分地区,在15 a的运营期限内,高速公路热管路基具有一定的局限性,其服役期限内不能保持路基稳定性;但对于风火山地区,采用高度为3 m的热管路基可以保证工程稳定性。

本文以共和至玉树(结古)公路为例,以冻土区路基病害现场调查为依据,重点分析了路基病害与冻土类型、路基处理类型、路基高度、路基平整度之间的关系,揭示了共和至玉树(结古)公路路基病害随着冻土性质的变差而严重,片块石通风路基段出现病害的原因,路基高度过高或过低都将影响路基病害的产生,路基病害越严重,路基平整度(RQI)指数离散性越大,最后提出了冻土区路基病害处理的关键技术。

基于附面层理论,建立伴有相变的二维非稳态温度场数值模型,分析不同路基高度下高纬度多年冻土区路基温度场与融化深度的变化规律,为多年冻土区设计合理路基高度及病害防治提供参考。结果表明:高纬度多年冻土区路基温度场的变化随季节而周期循环变化;随着时间的增加,路基下的地温也随之升高;路基高度越低,融化深度越大。从长期来看,不同高度路基下多年冻土上限均有下降趋势。

通过有限差分软件FLAC3D着重分析了不同温度条件下的冻胀融沉变形,计算出了冬季和夏季的沉降量,通过比较不同路堤高度的冻胀量,得到了三个路堤高度条件下的冻胀融沉分析。

青藏公路病害调查资料表明:热融沉陷是多年冻土区主要的路基病害之一,提高公路路基高度可以有效地控制路基变形,防止融沉病害。针对这一工程问题,提出了"冻土路基高度效应"的概念,描述因路基高度变化而引发的冻土路基变形、破坏等规律。基于冻土路基热弹塑性融沉计算模型,得到了不同温度条件下,路基变形随路基高度的变化规律,与实测数据相比,计算模型合理可行。计算结果表明:冻土路基的变形主要受控于多年冻土层的融沉变形;"路基高度效应"对于冻土路基变形影响较大;高温多年冻土区的路基融沉变形十分可观,其变形速率尤其值得关注。

采用焓模型,综合考虑了气温、太阳辐射、风速风向、坡面蒸发等气象因素,对不同气温地区多种高度路基温度场进行有限元数值模拟,并采用天然地面下冻土年最大融深及路基内融土核高度两个指标综合分析路基稳定状况。有限元分析表明:在中低温多年冻土地区,抬高路基可延缓冻土下降速率,有效保护多年冻土;在高温不稳定多年冻土地区,抬高路基的效果并不显著,过度地抬高路堤会使路基内融土核高度显著增加,路基本体的稳定性将受到严重影响。本文还提出路基高度与冻土年最大融深之间的回归公式,为路基病害预测提供依据。