【目标】随着多年冻土区路基工程建设活动增加,形成了大量路堑边坡,因此有必要对冻融作用下多年冻土区路堑边坡的稳定性进行分析。【方法】针对其随机性、小样本、非线性等特点,利用支持向量机、随机森林和梯度提升3种算法构建基础模型,并采用Voting集成学习技术将它们组合,构建了4个多年冻土区路堑边坡安全系数预测模型。【数据】为了反映冻土区边坡的特殊性,引入了活动层厚度和冻融损伤系数,并结合了普通边坡稳定性影响中的4个关键指标(边坡坡度、土体重度、黏聚力和内摩擦角),确定了6个输入指标。利用25组数据对4个预测模型进行了训练和测试,并采用最小均方误差评价了模型预测效果。【结果】支持向量机模型的最大相对误差为9.61%,随机森林模型的最大相对误差为―6.23%,梯度提升模型的最大相对误差为4.44%,而Voting集成学习模型的预测值与实测值最大相对误差为―0.51%。相对于单一预测方法,Voting集成学习模型能够更加准确地预测边坡安全系数变化趋势。【应用】Voting集成模型可以更好地描述边坡稳定性与其影响因素之间的非线性关系,更适于实际工程应用。研究成果为多年冻土区路堑边坡稳定性评价提供了一...
为准确客观地评估多年冻土公路路基稳定性,构建了以冻土特性、地质环境、气候条件和工程状况为准则层,包含12个指标的评价体系。选取7个区间的多年冻土公路路基作为样本,通过G1法和熵权法分别计算各指标的主、客观权重,并采用博弈论方法确定各评价指标的综合权重。通过物元变换构建了冻土公路路基稳定性等级的物元体系,计算各指标的关联度。将博弈论组合赋权和物元可拓模型相结合,构建了一种新型的多年冻土公路路基稳定性评估模型,对7个区间多年冻土公路路基的稳定性进行评估。结果表明:年平均地温、工程措施、路基高度、年平均气温和含冰量是影响冻土稳定性最主要的因素;基于博弈论组合赋权和物元可拓模型的多年冻土公路路基稳定性评价方法,克服了G1法赋权中主观随意性带来的偏差,同时也避免了熵权法过于依赖指标数据而忽略指标重要性的问题,这使得多年冻土路基稳定性评估中的指标权重更加科学合理;评价结果与实际路基的变形监测数据吻合度较高,验证了该模型的科学性和有效性。
冻融灾害是影响多年冻土区道路工程服役性能和运营安全的关键问题。在冻土环境暖湿化和工程热效应共同影响下,多年冻土加速退化,加剧了道路冻融病害风险。为维持道路服役性能水平,冻土道路养护维修频次远高于其他地区,道路使用寿命难以达到设计预期。深化道路岩土结构灾变机理认识,加强工程病害处治技术研究对推进冻土区高质量、高等级公路建设与养护具有重要意义。基于此,该文首先对冻土道路典型病害类型进行阐述,并根据冻土性质、气候与地形、道路材料与结构等内外因素探究病害的形成机理与演变机制;根据病害处治原理的不同,论述了当前冻土道路病害处治技术研究现状与发展趋势。研究表明:冻土道路病害主要包括冻融沉陷、开裂坑槽和唧泥翻浆,病害成因包含冻土性质、气候地形、道路材料与结构等内外因素,特别是冻融积水浸泡软化地基诱发沉陷变形较为显著,因此在道路规划阶段应充分优化选线设计。根据在役道路病害处治原理不同,可将现有处治技术分为被动冷却路基措施、主动冷却路基措施和冻土地基增强措施3类。其中,路基主、被动控温措施研究与应用较为系统全面,后续应持续聚焦于控温性能提升及多种处治措施联合运用;冻土地基增强技术具有良好的应用前景和推广...
为分析青藏高原高速公路路基下伏多年冻土的时空演变特征,并探讨新建路基路面结构和自然环境因素对路基下伏多年冻土退化的影响程度,以共玉高速公路穿越多年冻土区南界段为例,利用ArcGIS栅格单元属性分析方法对研究区内公开的气候、地形及钻芯数据进行深入挖掘;分析了不同高程、坡度、坡向、归一化植被指数(NDVI)、年平均气温(MAT)、年平均地温(MAGT)、平均年降雨量(MAP)、年平均湿度(MAH)和新建路基路面结构对高速公路路基下伏多年冻土时空演变特征的影响。结果表明:新建路基路面结构对路基下伏多年冻土退化的影响程度为自然环境因素的1.23倍;2011—2019年沿线多年冻土退化呈现出一定的空间异质性,在多年冻土快速和低速退化区内,影响多年冻土退化速度的主要因素分别为MAGT和MAH;影响整个研究区多年冻土退化速度的主要因素为MAGT;2011—2019年高速公路路基下伏多年冻土退化速度为36 cm/a,分别为同期青藏铁路和青藏公路的8倍和2.32倍,为同期同区位G214共玉高速公路的1.83倍。建议青藏高原多年冻土区高速公路选线按无多年冻土分布、有多年冻土赋存的高海拔阴坡、低海拔阴坡、高...
为了探明高纬度多年冻土区跑道修筑技术及沉降演化特征,基于漠河机场跑道冻土开挖换填深基坑现场监测和三维有限元仿真模拟数据,分析了机场深基坑施工过程中周围不同方向累计变形规律,探讨了不同沉降预测方法对多年冻土区跑道沉降预测的精度和适用性,预测了漠河机场跑道深基坑工后沉降稳定性时间及最终沉降量。结果表明:针对不同冻土深度的换填方法,建议采用变深度开挖换填措施,换填深度依冻土层含水率略大于塑限含水率时为止;冻土开挖换填措施能够很好的满足高纬度多年冻土区机场施工进度和变形要求,有效的降低工后沉降的风险;采用对数函数和有限元软件模拟预测漠河机场深基坑工后沉降结果精度高且适用性强,可用于预测冻土区机场跑道工后沉降量及稳定时间;冻土区机场跑道深基坑开挖、换填以及运营过程中均需要对沉降变形进行监控,以保障高纬度多年冻土区机场建设和运维安全。
为了明确降雨对多年冻土区公路路基内部水热状态的影响,以青藏高原北麓河地区的环境特点和多年冻土路基结构为背景,在室内底板-大气双控温模型箱内制作冻土路基的几何相似比(1∶6)模型。首先通过无降雨和有降雨工况对比试验明确2种工况下多年冻土区路面温度及热通量的变化特征,然后进一步探究2种工况下路基内部水分场及其温度场的变化特征,进而明确多年冻土区公路路基内部水热状态对降雨作用的响应情况。研究结果表明:降雨作用下路面温度普遍低于无降雨时的路面温度,且路面及路肩下部5 cm处热通量呈减小趋势,路面下部热通量减小相对更加明显,约为路肩下部热通量减小量的3倍,表明降雨作用缓解路基内部热量吸收;降雨会显著增加路基不同部位的浅层含水量,降低路基浅层温度,且夏季较多降雨量导致冻土路基释放出更多的热量,路基温度降低明显;降雨作用对路基不同部位下部含水量和温度的影响随着深度增加逐渐减弱,对路基下部50 cm及以下位置的含水量和温度基本没影响;相比路基其他部位,降雨作用导致天然场地含水量增加明显,而路面下部含水量增加较小;虽然路面下部含水量增加较小,但沥青路面吸收的热量较多导致自身温度较高,因此降雨作为能量冷脉...
依托省道224线二道沟兵站至治多县公路改建工程,综合利用工程地质调绘、地质钻探、原位试验等勘察手段,基本查清沿线连续多年冻土类型、特征及工程地质条件,并针对多年冻土道路常见的翻浆、融沉问题,提出可供选择的工程防治措施。勘察结果为新建或改建公路的线路避绕或治理提供地质依据,也为构筑物结构和基础类型提供必要地质资料。
为了揭示多场耦合作用下多年冻土宽幅跑道温度应力的分布规律,首先,采用室内试验模拟了东北某地区冷季降温时多年冻土地温的变化过程,并与基于水热耦合理论建立的温度场模型进行对比;其次,依据东北地区多年冻土地质条件,并结合跑道结构力学参数随温度变化规律建立跑道水热力耦合的地基二维有限元模型;最后,分别计算了30年内1月、4月、7月和10月跑道道面结构和地基整体温度应力的分布规律。结果表明,基于水热耦合的有限元模拟计算冻土温度场的方法是有效的;跑道中间的水平温度应力影响深度约为5 m,一年中1月和7月温度应力变化较为显著,冻土地基大范围内以温度压应力为主,且逐年增大;道面结构层内的最大温度拉应力在1月出现在跑道中心面层,约占面层材料劈裂强度的30%,在7月出现在跑道基层,约占基层材料劈裂强度的28%,因而多年冻土区跑道地基温度应力在夏季和冬季需要引起重视。上述成果可为在多年冻土环境开展机场跑道设计提供参考。
为了研究浅层多年冻土的承载特性以及青藏高原多年冻土区的公路路表变形规律,并探讨浅层多年冻土承载特性与路表变形行为之间的潜在联系,选取代表性区域进行现场路表变形勘测和静力触探原位测试,得到了路表变形最大值及所处地层静力触探贯入参数。结果表明:冻土地层比贯入阻力和锥尖阻力随深度分布均具有分层的特点,包含软弱层和持力层;冻土地层比贯入阻力或锥尖阻力越大,静力触探试验可贯入深度越小,相应区域的承载能力越强,路表沉降变形越小,而冻土地层侧壁摩阻力与路表沉降行为相关性较弱;当静力触探试验达到贯入极限深度时,冻土地层比贯入阻力约为37 MPa,锥尖阻力约为22 MPa;路表变形的严重程度受冻土地层比贯入阻力或锥尖阻力的较小值及两者地层厚度共同影响,冻土地层比贯入阻力或锥尖阻力越小,且该区域厚度越大,相应路表变形越严重;基于冻土地层比贯入阻力和锥尖阻力提出包络面积比的概念以评价浅层多年冻土的承载能力,标准值相同的情况下,Ps-d曲线或qc-d曲线的包络面积比越大,多年冻土地层承载能力越强,路表沉降风险越小;分别建立Ps-d曲线和q
盐渍冻土与混凝土接触界面的力学特性对寒旱区道路工程结构的稳定性和耐久性有重要的影响。为了揭示多因素作用下盐渍冻土-混凝土接触面力学特性,通过室内试验和数学模型探究了接触面剪切应力-位移关系和剪切强度变化规律。开展了补水和不补水、冻融循环方式(单向和整体冻融循环)、冻融循环次数(0、5、10、20)、含盐量(0、0.5%、1%、2%、3%、4%)、含盐类型(NaCl和Na2SO4)、剪切温度(-2℃、-5℃、-10℃)等条件下的盐渍冻土-混凝土接触面直剪试验。基于龚帕兹模型拟合了接触面的剪应力-剪切位移关系。并运用灰色相关理论分析了各影响因素与接触面剪切强度关联性。研究结果表明:冻融循环方式对接触面抗剪强度的影响差异不明显,但随着冻融循环次数增加,接触面抗剪强度均逐渐降低。接触面抗剪强度随着盐含量的增加而降低,当含盐量超过2%时,硫酸钠和氯化钠冻土接触面抗剪强度呈现相反变化规律,其中硫酸钠冻土接触面强度增大。当温度降至-5 ℃及更低温度后,补水条件对接触面抗剪强度起增强作用。龚帕兹模型与盐渍冻土-混凝土接触面的应力位移关系吻合较好,可用于评价寒...