多年冻土路基水热力理论模型及计算

西部交通建设科技项目合同号：2002 318 812 03水、热、力耦合效应与路基路面温度场变化规律的研究简本长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室二零零五年十月水、热、力耦合效应与路基路面温度场变化规律的研究多年冻土的面积约占全球陆地面积的23%，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的部分地区，其中我国的多年冻土分布面积约占世界多年冻土面积的10%，占我国国土面积的21.5%，是世界上第三大冻土大国。

我国的多年冻土主要分布在青藏高原、东北大小兴安岭和松嫩平原北部及西部高山区，并零星分布在季节冻土区内的一些高山上。

多年冻土作为影响冻土区生态和工程建筑的环境因子，对热扰动极为敏感，其退化和地下冰的融化会造成地面沉陷，促使热融地貌等不良物理地质现象发生，从而造成其上工程建筑和生态系统的破坏。

冻土是一种对温度敏感和易变的地质体，它是在地壳内热源和外热源的综合作用下形成、发展、退化及消亡的。

冻土由固体矿物颗粒、粘土塑性冰包裹体和液相水（未冻水和强结合水）和气态包裹体（水气和空气）组成，它们都各有其特性，彼此相互联系，相互作用。

从上世纪70年代起，气温趋于转暖，加之人类活动的急剧增加，使得大面积的岛状冻土区呈区域性退化趋势，大部分连续多年冻土区内表现为地温升高，季节融化深度增大，而引起冻土环境发生变化。

多年冻土表面土层受到扰动或改变其地表植被、水分、日照条件等均要引起多年冻土边缘的变化，在多年冻土地区兴建公路既会造成冻土存在状态改变，同时工程也会受到冻土稳定性的影响。

由于铺设沥青路面，造成路面下土体的对流和蒸发通道被阻断及路面吸热能力增大，使得路基下多年冻土和地下冰不断融化，冻土上限逐渐下降。

随着多年冻土升温与退化，沿线道路病害发生强烈，路基的不均匀变形、冻融开裂、翻浆、波浪、坑槽、松散和局部沉陷、纵裂和横裂等现象时有发生。

路基下多年冻土融化是路基不均匀变形及路面裂缝产生的重要原因已被广泛认识和接受，土体冻结过程对路基变形和路面破损的影响则研究较少。

我国多年冻土公路路基设计与施工我国多年冻土公路路基设计与施工张锦生东北林业大学哈尔滨150040摘要：针对漠河至洛古河公路设计、施工的实践，探讨大兴安岭地区多年冻土公路路基设计和施工的一般规律和工程中采取的措施，以减少多年冻土给公路建设带来的损害。

关键词：路基、多年冻土、措施、设计、施工1.0概述大兴安岭地区多年冻土地区位于我国东北部，纬度偏北，冬季寒冷，雨量较多，每年10月上旬开始冻结，次年5月开始融化，一年中有7—8个月是寒季，大兴安岭属中、低山丘陵，主要为白垩纪的第三纪地层，谷坡均不对称，一般阴坡缓而阳坡陡，山地丘陵地表层中的粗亚砂土，轻亚粘土厚仅几十厘米以下为坡积碎砾石，基岩多为玄武岩、安山岩、大山角砾岩及花岗岩等，地下水较深，地表干燥，地表植物为樟子松、白桦、老头树等，山间谷地和山前平原区表土层一般由上而下为：泥炭轻亚粘土、碎石土，冻土层土上水特别发育，多年冻土上线距地表为1.5~1.7m，地表长期过湿，夏季积水，冬季发生冰丘，冰锥。

漠河至洛古河公路位于北纬470C和平均气温-10C等值线以北的区域，主要是整体的多年冻土，冻土的厚度有数米、数十米至百米，该区域多为70米左右的冻土层，大兴安岭的多年冻土目前处于退化状态，但是多为岛状和不衔接的多年冻土。

2.0公路勘察的重点2.1多年冻土地区应调查多年冻土的上限深度，冻土层的膨胀，融沉情况及相关的调查工作。

调查不良地质现象的类型、形态、形成条件、对工程影响的程度。

调查沿线筑路材料、保温材料、工程用水和生活用水，确定地基土最大季节冻结深度，最大季节融化深度，冻土类型，查明地下水、地表水类型及活动规律与不良地质现象的关系，了解和确定取土场，弃土位置，注意取土、弃土可能形成新的不良地质问题及其对工程的影响。

调查原有工程的运行情况和当地工程建设防治冻害的经验。

2.2多年冻土地区地质测绘地层结构、土质成分、斜坡堆积物及特征，结合地形、地貌，地表保温状态确定，多年冻土的上限采用值，漠河至洛古河公路的多年冻土上限的采用值为1.5~1.7m。

公路路基荷载与变形计算模型公路路基是公路工程中承受交通载荷并传递到地基的基础结构，对公路的安全和稳定性起着重要的作用。

为了确保公路路基在使用寿命内具有良好的荷载传递性能和变形性能，需要进行荷载与变形计算，以确定合理的设计参数。

本文将介绍公路路基荷载与变形计算的模型和方法。

首先，公路路基荷载计算模型是确定路基所承受的荷载大小和分布的基础。

根据设计标准和规范，公路路基荷载主要来自车辆荷载、温度荷载和土体荷载。

车辆荷载是指车辆在路面上行驶时产生的静荷载、动荷载和颠簸荷载。

温度荷载是指路面温度变化引起的热胀冷缩效应，会导致路基的变形和应力变化。

土体荷载是指路基自身的重力荷载以及来自路基表面和边坡上的附加土压力。

针对不同类型的荷载，可以采用不同的计算模型和方法进行荷载计算。

其次，公路路基变形计算模型是确定路基变形大小和变形规律的关键。

路基变形计算模型主要分为弹性模型和塑性模型两类。

弹性模型假定土体是具有线弹性特性的，可以根据弹性力学原理进行变形计算。

常用的弹性模型包括一维弹性模型、二维弹性模型和三维弹性模型。

一维弹性模型适用于均质土体的变形计算，在考虑轴对称情况下，可以简化为杆件模型。

二维和三维弹性模型适用于非均质土体或考虑横向分布不均匀性的情况下的变形计算。

塑性模型假定土体具有一定的塑性变形能力，可以考虑土体的塑性流动和固结沉降特性。

常用的塑性模型包括弹塑性模型和塑性流模型。

弹塑性模型可以综合考虑土体的弹性和塑性特性，适用于较复杂的土体和边坡变形计算。

塑性流模型主要用于软土地区的路基变形计算，可以考虑土体的流动性质和剪胀特性。

根据实际情况和设计要求，选择合适的变形计算模型进行路基变形计算。

在进行公路路基荷载与变形计算时，需要收集和分析大量的工程地质、交通量、温度以及土壤力学参数等相关数据，并进行对应的计算模型选择。

对于荷载计算，可以根据不同地区和设计标准选择适用的计算方法和荷载系数，计算车辆荷载、温度荷载和土体荷载。

浅谈多年冻土区路基冷却管室内模型试验1. 引言在针对冻土区路基病害的保护措施中，路基冷却管技术能够在维持路基下多年冻土上限位置基本稳定的前提下，尽力避免和减少公路因多年冻土层融化而发生的沉降变形，从而减少路基的病害。

目前，国内外对冷却管技术的研究已经取得了一定成果。

长安大学的刘伟江[1]对不同形式的通风管路基的温度场进行了有限元计算，重点分析了通风管路基温度场状况以及管径大小、路基高度、通风管埋设深度、管距对温度场的影响。

长安大学的刘人玮[2]以流固耦合传热理论为基本理论，利用有限元软件，建立了路基冷却管路基的三维传热模型。

由于本文是在刘人玮的研究基础上，遵照其所建立的模型，采用模拟传热模型的边界条件的方法进行室内试验，并分析了沿管径方向和管轴方向的温度分布规律，从而在试验层面上证明了冷却管路基技术的有效性。

2. 试验模型本实验根据有限元模型的传热机理，设计了室内试验来试验模型对计算模型进行验证。

将筛过的粘土装入尺寸为403035（mm）的木箱内，埋置Pt100型铂热电阻温度传感器，在箱子中间位置埋置贯穿箱体、外径D为0.05m的冷却管。

将木箱放置于恒温的环境箱内，直到土体内三个断面的传感器均为，再将环境箱内温度快速下拉至，并恒温10h。

提取试验数据并分析。

其中，的取值5 、2 、1 。

的取值-10 、-5 、-3 。

进行9组正交试验。

图1 埋置通风管3. 试验数据分析为了能够清晰扼要的分析试验数据，将截面划分为A，B，C来进行分析。

图2 冷却管室内试验温度传感器位置示意图3.1 沿管轴方向测点温度随时间变化规律分析当=5 ，=-10 ，=4.5 时，强制对流10h，提取A、B、C截面上测点温度于图3。

由图可知，土体中测点的温度随管内冷空气作用时间的延长而降低，且在初期降温较快，随时间的延长而逐渐减缓。

紧贴冷却管外壁的2号点在初期的降温较快，降至-1.5 后，降温速率明显减缓。

位于土体中部的3号点在初期降温较慢，在形成一个持续约30min的平台后降温加快，到达1 后速率有所减缓。

论多年冻土路基的施工摘要多年冻土路基是指在永久冻土区域内建设的道路，由于永久冻土的特殊性质，给道路的施工带来了很大的挑战。

本文主要探讨了多年冻土路基的施工，并分析了影响多年冻土路基施工的主要因素和解决方法。

简介多年冻土是指在地球冻土分区图（International Permafrost Zone Map）上被认定为永久冻土区域（permafrost zone）的土壤或岩石层，其中某些部分的温度在0°C以下持续了至少两年。

而多年冻土路基则是指在永久冻土区域内建设的道路。

由于永久冻土的特殊性质，给道路的施工带来了很大的挑战。

多年冻土具有较强的抗剪强度和稳定性，但其力学性质和物理性质的特殊性质也带来了诸多困难。

常常存在着土体的假冻、真冻情况。

为确保多年冻土路基在严寒地区使用寿命足够长，对道路的施工质量、施工工期、设计等方面有着严格的要求。

主体影响多年冻土路基施工的主要因素1.多年冻土区域内的温度变化多年冻土区域内的温度变化对道路的施工极为关键，永久冻土层内的温度虽然比较稳定，但是上覆夹层以及大气温度的影响都会对地表温度造成影响，影响道路的温度稳定性。

这一点可能导致道路的结构破坏，并且在道路使用过程中，由于长时间的冻融作用，道路可能会出现波动、陷沉等问题。

2.冻胀的影响在极低温度下，由于冻胀作用的影响，多年冻土路基会出现地面隆起的情况，影响道路的施工和使用。

如果路基材料太软或者水分过多，一旦遇到极寒天气，路基中的水分将会结冰膨胀，导致地面凸起或鼓包，从而破坏了道路平整度和稳定性。

所以，针对这一问题，应选用冰心排板机等设备将路基夯实，并降低水分含量，以增强路基的冻胀稳定性。

3.土体的性质多年冻土区域土体的性质较为复杂，不同区域内土体的物理、化学和力学性质也存在较大差异。

对于不同的土体，施工方案和材料的选择也应做相应的调整。

解决多年冻土路基施工的方法1.选择合适的施工方法对于多年冻土路基的施工，选择合适的施工方法至关重要。

给水排水收稿日期:2006-10-17;修回日期:2006-11-24作者简介:王传琦(1980 ),男,西南交通大学环境科学与工程学院研究生。

多年冻土地区给排水管道保温层厚度设计的数值模拟分析王传琦,牟瑞芳,王 芃(西南交通大学环境科学与工程学院,成都 610031)摘 要:通过对高寒地区给排水管道铺设和管道保温层厚度设计的研究,提出一种新的高寒地区给排水管道保温层厚度设计计算的方法,即利用计算机通过A nsys 进行数值模拟计算分析的方法,并通过实例得以证明这种计算方法是有效的,从而丰富了高寒地区给排水管道保温层厚度的设计计算方法,并为其他计算方法提供了验证性方法。

关键词:高寒地区;给排水管道;保温层;模拟分析中图分类号:U 269 35 文献标识码:B 文章编号:1004-2954(2007)01-0086-031 高寒地区给排水管道铺设现状1 1 高寒地区管道防冻措施的国内外现状我国有大面积的多年冻土,主要分布在东北地区、青藏高原等地区。

东北地区给排水管路及构筑物设置方式基本上沿袭了前苏联的设计模式,管路的防冻大多采用水源加热并在管网的最末端放空的方式,该方式是非常不经济的;还有部分管道采用与热网埋设于同一管沟内的防冻措施,此方式在青藏铁路沿线没有条件采用。

国外(俄罗斯、加拿大及美国阿拉斯加)在多年冻土区铺设给排水管路及修筑排水构筑物工程有一定的成功经验,但还存在非常多的病害难以解决,特别是冻土环境的差异,如气象条件、土相以及含水率的不同,均可以影响管道铺设的方式以及构筑物的使用功能。

青藏高原冻土区尚无任何给排水管路及排水构筑物工程可供借鉴。

1 2 青藏铁路给排水管道多年冻土区管道的铺设形式可分为:深埋式、浅埋式、地沟式、路堤式及架空式。

不同的铺设形式各具有不同的优缺点。

(1)深埋式管道:造价较高且一旦管道发生冻结现象,不易发现,更不易维修。

(2)地沟式管道:在铁路上应用较少,但管道穿越铁路、公路时,为了避免管道直接受较大荷载而折断,同时,为便于维修往往外设一套管。

论多年冻土路基的施工设计和施工外。

多年冻土路基，论多年冻土路基的施工。

关键词：多年冻土路基，施工公路是一种线形构造物。

它主要承受汽车荷载和经受各种自然因素的长期影响。

路基是公路线形的主体，它贯穿公路全线，并与沿线的桥梁、隧道和涵洞等相连接，路基是路面的基础，它与路面共同承担汽车荷载的作用，路面靠路基来支承，没有稳固的路基就没有稳固的路面。

一条公路的好坏主要取决于路基的整体稳定性，足够的强度，足够的水温稳定性。

所以，路基是整个公路的线形主体。

一、冻土的概念以及冻土的分类凡是温度为零摄氏度或负温，含有冰且与土颗粒承胶结状态的土称为冻土。

冻土的形成原理是因为土壤里面或多或少的都含有水分，但温度降到零度或零度以下，土壤里的水分就会凝结成冰将土壤冻结，这样就产生了冻土。

1.1根据冻结延续时间可分为多年冻土和季节性冻土两类多年冻土又称永久冻土，指的是持续三年或三年以上的冻结不融的土层。

多年冻土常存在地面下一定深度。

其表层冬冻夏融，称季节融化层。

多年冻土层顶面距地表的深度，称冻土上限，是多年冻土地区道路设计的重要数据。

多年冻土分为两层：上部是夏融冬冻的活动层；下部是终年不融的多年冻结层。

多年冻土是寒冷气候（年均气温＜2℃）区的产物。

季节性冻土土层冬季冻结，夏季全部融化，冻结延续时间一般不超过一个季节的称之为季节性冻土。

冻土是由土的颗粒、水、冰、气体等组成的多相成分的复杂体系。

冻土与未冻土的物理力学性质有着共同性，但因冻结时水相变化及其对结构和物理力学性质的影响，使冻土含有若干不同于未冻土的特点，如冻结过程水的迁移；冰的析出、冻胀和融沉等。

发表论文，多年冻土路基。

这些特点会使多年冻土和季节性冻土对结构物带来不同的危害，因而对冻土路基工程除按一般地区的要求进行设计和施工外，还要考虑季节性冻土和多年冻土的特殊要求。

1.2按冻土的成因分为后生冻土层和共生冻土层两类后生冻土层。

是土层堆积后形成的，特点是含冰量少，多为整体结构或层状结构，具裂隙冰；共生冻土层。

多年冻土区青藏公路路基边界温度及计算模型研究
易鑫;胡达;喻文兵;刘伟博
【期刊名称】《冰川冻土》
【年(卷),期】2017(39)2
【摘要】温度边界是冻土工程模拟中重要的边界条件之一。

依据青藏公路多年冻土段不同走向路基断面表层温度的连续观测数据,分析了青藏工程走廊内路基实测的边界温度特征。

结果表明:走向为W8°S的断面阴阳坡温差最大为5.81℃,走向为W34°S的断面坡面温差为5.68℃,走向为W86°S度的断面坡面温差为1.38℃,说明高原上无论路基走向如何,路基两侧坡面都存在温度差异,因此,两侧必须采取差异设计,以减少路基温度的不对称。

同时,根据路基接收太阳能辐射反演路面及边坡表面温度,提出了工程热边界的简化计算模型,并将模型计算结果与实测数据进行对比,两者吻合较好。

【总页数】7页(P336-342)
【作者】易鑫;胡达;喻文兵;刘伟博
【作者单位】中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室;中国科学院大学
【正文语种】中文
【中图分类】U416.168
【相关文献】
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3.青藏高原多年冻土区通风管路基温度特性分析
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5.多年冻土区管道通风路基温度边界条件及温度场实测研究
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