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季节冻土区冷阻层路基结构稳定性及应用研究

韩雷雷  
【摘要】:季节冻土区道路冻害现象十分普遍,严重影响了季冻区道路的使用寿命,增加了道路养护成本。如何提升季冻区道路服役性能,减少季冻区路基冻害成为亟待解决的现实问题。冻胀融沉是季冻区路基冻害的主要表现形式,冻胀融沉问题的本质是在冬季负温度梯度作用下,路基内水分向路基顶面迁移,在负温度的作用下冻结成冰,水分由液态向固态的转变造成体积增大,挤压周围结构形成冻胀现象;在春季随着温度的升高,冻结的土体逐渐融化形成饱水层,同时造成路基与垫层间脱空,在行车荷载作用下,饱水层水分混合着路基填料被挤压出道路结构导致翻浆。冻胀翻浆问题严重影响路基稳定性,目前常用的处置措施有改善路基土质、保温法、改进路基路面结构等,这些方法一定程度上改善了路基冻胀融沉问题,在结合地区优势资源,实现绿色、环保、高效的冻害治理方法方面还需进一步研究。随着国家对油页岩资源的不断开发,大量油页岩废渣堆积成山,对周围生态环境造成威胁。近年来国家宏观调控和环境保护限制了河流石的开采,筑路用砂石材料日益紧缺,亟需寻找替代砂石材料的新型筑路材料缓解紧缺现状。本文依托国家自然科学基金项目(51578263)和吉林省交通运输重点工程科技计划项目(2017ZDGC-6),针对季冻区路基冻害问题,从提升路基稳定性角度,提出了利用冷阻层路基解决季冻区路基冻胀融沉问题的思路,实现了废弃油页岩废渣再利用,缓解了砂砾材料紧缺的现状,其中冷阻层路基由挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板(XPS板)和油页岩废渣、粉煤灰改良粉质黏土组成。采用理论分析、室内外试验与数值模拟相结合方法,进行冷阻层路基的材料优选、结构设计和性能试验,分析冷阻层路基在季冻区环境条件下的水温分布和动力响应规律,并成功将冷阻层应用于实体工程中。通过原位加载试验评价了冷阻层路基的实际应用效果,采用数值模拟方法补充和完善了冷阻层路基的实际工程应用效果评价,为冷阻层路基在季冻区道路建设中的应用提供参考。本文主要研究内容如下:(1)通过分析路域环境内的热流分布,从减少地表热流与路基发生热交换和提高路基填料抗冻稳定性的角度出发,提出采用XPS板+改良土的冷阻层路基形式,通过试验确定XPS板和改良土的基本性能参数,根据热值等效理论对XPS板进行结构计算。其中改良土为油页岩废渣、粉煤灰改良粉质黏土,是一种抗冻稳定性突出,路用性能优良,能够实现废弃资源再利用的新型路基填料。(2)开展冷阻层路基的室内外隔温试验,通过对比分析对冷阻层路基的抗冻性能进行评价。其中室内试验通过单向冻融试验系统实现对冻结条件的精确控制,评价冷阻层路基的抗冻特性,在室内试验的基础上开展室外模型试验,进一步探究冷阻层路基在自然环境下的抗冻表现,为实体工程应用提供数据参考。(3)开展冷阻层路基的动力响应试验,评价冷阻层路基的动力稳定性。开展室外改良土动力响应试验,探究改良土在自然冻融环境下的动应力变化规律,从动力响应角度为解决冻胀融沉问题提供数据支持;室内冷阻层路基动力响应试验探究不同荷载条件下冷阻层路基的动力响应规律,评价冷阻层路基的动力稳定性。(4)在冷阻层路基的抗冻稳定性和动力稳定性研究的基础上,开展了在实际工程中设置冷阻层路基的应用研究,实现研究成果向实体工程的转化。研究冷阻层路基在实体工程中的施工工艺,并对冷阻层路基的经济效益进行分析;在实体工程中布设传感器,通过采集冷阻层路基的性能参数,包括不同冻结时期的温度数据和原位加载试验的动力响应数据,评价冷阻层路基的实际使用效果。(5)建立实体工程有限元模型,分别进行温度场和动力场计算,通过分析实体工程的年温度分布规律及动荷载作用下的动应力和位移分布规律,全面展示冷阻层路基的实体工程应用效果,本章内容是对冷阻层路基工程应用效果评价的补充。


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