冻土区公路路基病害断链防治技术的理论研究与实践

冻土区公路路基病害断链防治技术的理论研究与实践重庆大学博士学位论文学生姓名：张铭指导教师：张永兴教授王桂林教授专业：岩土工程学科门类：工学重庆大学土木工程学院二O一五年三月 TheoryandPracticeofChain-BreakingPreventionTechnologyforHighwayRoadbedDiseaseinFrozen-GroundAreasAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByZhangMingSupervisedbyProf.ZhangYongxingProf.WangGuilinSpecialty:GeotechnicalEngineeringCollegeofCivilEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMarch2015 中文摘要摘要冻融作用是在多年冻土地区修筑工程构筑物所面临的重大挑战之一。青藏高原冻土区公路的冻胀、沉降、路面破裂、边坡失稳等一系列病害，因为冻融作用的影响而较之正常地区更为严重。冻土区公路路基病害具有链式规律，病害链中传递的能量包括机械能（车辆荷载），辐射能（主要是外因中的太阳光辐射）和热能（气候变化导致的热量聚集）。水、辐射能和热能是导致冻土区公路路基病害的主要链源，掌握链源的传递规律，隔断和消弱辐射能（光能）和热能的传递，可以有效的防治冻土区公路路基病害。为此，本文在国家自然科学基金项目“基于灾变链式理论的多种灾害演化规律探索”（项目批准号：50879097）和教育部长江学者和创新团队发展计划项目“山区岩土工程”（项目批准号：IRT1045）的资助下，基于理论分析、数值模拟和现场试验，对冻土区公路路基病害链链源特征及断链防治原理等问题进行了全面深入的研究，论文的主要研究工作如下：①在调查分析冻土区路基病害类型及原因的基础上，运用链式理论提出了“公路病害链”概念和“断链防治”原理，并对青藏公路和青康公路等冻土区公路的路基病害链链源的“链式效应特征”及断链防治的机制进行研究。②病害链中传递的水和热能是导致冻土区公路路基病害的主要链源，通过路面、地基、边坡等外环境进入路基病害链。利用BP神经网络及ARMA模型建立了重要的外环境之一—沥青路面温度预测模型，结果表明BP模型对日最高温度的预测精度较低，对其它区间的预测误差在5%左右。研究成果丰富了沥青路面温度的预测方法，为工程需要假定路基温度场在一较短时长内的温度条件提供了参考依据。③运用热传导理论，推导了对初始及边值条件适应性强的单层及多层平板导热微分方程求解的差分格式。结合积分变换法、分离变量法以及待定系数法推导了单层半无限平板以及单层及双层平板的解析解，并运用差分计算分析了隔断类断链防治技术—XPS板隔热层的作用机理及效果。现场实测数据分析进一步验证XPS板隔热层的作用机理和多层平板导热微分方程差分法的适用性。④考虑“通风管内风速”这一要素，构建流畅与温度场耦合的通风管路基理论模型，通过数值模拟详细分析了消弱类断链防治技术的作用机理及效果。通过研究通风管路基试验段温度场的实测数据分析了路基温度场的变化规律，进一步验证了考虑管内风速影响的通风管的作用机理。I 重庆大学博士学位论文⑤对于另一外环境——边坡，考虑水-冰相变后含水率对其物理、力学性能的影响，比较了Janbu法、瑞典条分法、简化Bishop法和数值分析中强度折减法，确定了冻土区高含水（冰）量粘土边坡稳定性分析的Janbu法并结合温度场计算，分析了不同含水率及7级地震工况下的边坡潜在滑裂面及安全系数。得到了可以用于冻土区高含水（冰）量粘土边坡稳定性分析的一个简便的方法。关键词：冻土，路基病害，链式规律，断链防治，边坡稳定性II 英文摘要ABSTRACTForyears,freeze-thawactionhasbeenagreatchallengeforprojectsandconstructionsinfrozenareas.InthefrozenareasofQinghai-TibetPlateau,aseriesofproblemsaremoreseriousthanthoseinotherareasunderthefreeze-thaweffect,suchasfrostheaving,settlement,groundcracking,andslopeinstabilityofhighways.Roadbedproblemsinfrozenareasreflectthelawofachain,inwhichenergyispassedintheformsofmechanicalenergy(vehicleload),radiantenergy(primarilysunlightradiation),andheat(thermalaccumulationcausedbyclimatechange).Radiantenergyandheatarethechainsourcesofroadbedproblemsoffrozen-areahighways;cutting-offandreducingthepassofradiantenergy(lightenergy)andheatisthekeytothepreventionofroadbedproblemsonfrozen-areahighways.Therefore,sponsoredbyNationalScienceFoundationProgram“ExplorationsonMulti-DisasterEvolutionLawsinLightofChainedTheoryofDisasters”(GrantNo.50879097),andMEDevelopmentandPlanningProjectforYangtzeRiverScholarsandInnovativeTeams“GeotechnicalEngineeringinMountainousAreas”(GrantNo.IRT1045),thedissertationfullystudiesthecausalcharacteristicsandchain-breakingpreventionsofhighwayroadbedproblemsinfrozenareasthroughtheoreticalanalysis,numericalmodeling,andfieldtesting.Themajorachievementsinclude:①Basedonasurveyofthetypesandreasonsofroadbedproblemsinfrozenareas,itproposesthe“chainedeffect”and“chain-breakingpreventions”byutilizingthechain-modeltheory,andstudiesthechain-modelcharacteristicsofthecausesandpreventionsofroadbedproblemsonfrozen-areahighways,suchasQinghai-TibetHighway,Qinghai-KangdingHighway,etc.②Theradiantandthermalenergypassedindisasterchainsisthemajorcauseofhighwayroadbedproblemsinfrozenareas,withthemaximumandminimumtemperaturesreflectingasinusoidalfunctionofvariations.AmodelwasmadetopredictthegroundtemperaturesbyuseoftheBPNeuralNetworkandARAMModel.TheresultsshowarelativelylowaccuracyoftheBPModelinpredictingthehighestdailytemperatureanditserrorrateofabout5%inpredictingothertemperatures.Theresearchprovidestheoreticalbasesforfurther“chained-breakingpreventions”ofdisasters.③Thestudyappliestheprinciplesofheatconductionofmulti-layeredplates,andderivesthedifferenceschemeofdifferentialequationsforheat-conductionofsingle-III 重庆大学博士学位论文andmulti-layeredplatesadaptabletotheinitialandboundaryconditions.Italsoderivestheanalyticsolutionsofsingle-layeredsemi-finiteplatesandsingle-anddouble-layeredplatesthroughacombinationoftheintegraltransformmethod,thevariableseparationmethod,andthemethodofindeterminatecoefficients.Ananalysisismadeonthemechanismandeffectassessmentofchain-breakingpreventionsofXPSinsulatingplatesbymeansofdifferencecalculationandfieldtestingdata.④Throughobservationsofthevent-ductedroadbedsontheexperimentalsectionsoftwotypicalhighwaysontheQinghai-TibetPlateau,thedissertationanalyzesindetailsthemechanismandeffectassessmentoftheweakeningmethodofchain-breakingpreventionsbymeansoffield-testdataandfiniteelementmodeling.Thefield-testdatarevealingthevariationregularityoffieldtemperaturesinvent-ductedroadbeds,theresearchstudiesthecoolingeffectofvent-ductedroadbedsthroughfiniteelementmodeling,analyzestheroadbedfieldtemperatureswithinthevent-ductswhenairtemperaturerises.Theresearchachievementsareexpectedtoguidesimilarengineeringdesignandconstruction.⑤Afterthewater-icetransformation,themoremoisturecontents,thelessfreezing-meltingdepthsofclayeyformation.With40%,60%,and90%ofmoisturecontents,thefreezing-meltingdepthsare1.3m,1.1mand1.0mrespectively.ComparedwiththeSwedishSliceMethod,theSimplifiedBishopMethod,andstrengthreductioninvalueanalysis,theJanbuMethodtakesinaccountthehorizontalandverticalforcesbetweensoilslices,soitscomputationresultsaretheclosesttothoseofthestrengthreductionmethod.Onthebasisoftemperature-fieldcomputationresults,thepotentialslipsurfaceofslopesandthesafetycoefficientcanbefoundundernormaloperatingconditionsorinscale-7earthquakeswithmoisturecontentsof40%,60%,and90%.Undernormaloperatingconditionsorinscale-7earthquakes,thepotentialslipsurfacebreaksalongthefreezing-meltinginterfaceontheslopetop.Thesafetycoefficientundernormaloperatingconditionscannotmeettherequirementsofthecriteria,forthehigherthemoisturecontentrate,thelowerthesafetycoefficient.Keywords:FrozenGround,RoadbedProblems,theChainedLaw,Chain-BreakingPrevention,SlopeStabilityIV 目录目录中文摘要..........................................................................................................................................I英文摘要.......................................................................................................................................III1绪论.........................................................................................................................................11.1引言.......................................................................................................................................11.1.1冻土的分布及对工程的危害....................................................................................11.1.2青藏高原公路的冻土区分布及危害........................................................................21.2冻土工程国内外研究现状...................................................................................................51.2.1冻土工程温度场研究现状........................................................................................61.2.2冻土区公路病害的研究现状....................................................................................91.3本文主要研究内容及技术路线.........................................................................................172冻土区公路路基病害的链式规律及断链防治机制研究............................192.1冻土区公路路基病害的链式规律研究.............................................................................192.1.1公路病害的链式特征..............................................................................................192.1.2公路路基病害的链式形态......................................................................................202.1.3冻土区公路路基病害链式效应特征......................................................................242.2冻土区公路路基病害链的断链防治机制分析.................................................................272.2.1公路路基病害链的断链防治机理..........................................................................272.2.2冻土区公路路基病害链的断链防治机制..............................................................292.3本章小结.............................................................................................................................333冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测.......353.1冻土区公路路基病害链链源的影响分析.......................................................................353.1.1冻土区公路的路基病害类型及特征......................................................................373.1.2热能对冻土区公路路基病害链外环境的影响.......................................................373.1.3水对冻土区公路路基病害链外环境的影响..........................................................383.1.4链源对冻土区公路路基病害链外环境的影响特征...............................................393.2沥青面层温度的预测.........................................................................................................403.2.1沥青路面温度的变化特征......................................................................................413.2.2沥青路面温度的BP神经网络预测模型..................................................................433.2.3沥青路面温度的时间序列分析..............................................................................503.3本章小结.............................................................................................................................554冻土区路基病害隔断类断链防治技术的作用机理研究............................57V 重庆大学博士学位论文4.1多层介质瞬态热传导模型的计算方法研究.....................................................................574.1.1理论模型的确定......................................................................................................574.1.2导热微分方程的差分解..........................................................................................574.1.3一维单层及双层平板导热微分方程的解析解......................................................604.1.4一维单层及双层平板导热微分方程解析解与差分解的对比分析......................644.2隔断类断链防治技术作用机理的差分法分析与试验验证.............................................684.2.1XPS板多层平板导热计算模型的建立....................................................................684.2.2计算结果分析..........................................................................................................734.2.3XPS板路基试验段实测分析....................................................................................744.3本章小结.............................................................................................................................795冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究............................815.1流场与温度场的理论分析.................................................................................................815.1.1流场与温度场的基本方程......................................................................................815.1.2流体的湍流............................................................................................................8335.1.3孔隙介质的相变分析............................................................................................8445.2考虑管内风速的通风管路基作用机理的数值模拟与试验验证...................................8555.2.1通风管路基计算模型的建立................................................................................8555.2.2不同工况的计算分析............................................................................................9005.2.3通风管路基试验段实测分析................................................................................1025.3本章小结.......................................................................................................................106066冻土区路基边坡病害链链源特征及稳定性分析......................................109096.1冻土区路基边坡病害链的链源特征...........................................................................109096.1.1水对边坡土体物理、力学特征的影响............................................................109096.1.2高含水（冰）量粘土边坡温度场分析...............................................................11116.2冻土区路基边坡病害链稳定性的分析.........................................................................11666.2.1极限平衡法与数值分析法的比较........................................................................1166.2.2自然状态下边坡稳定性分析................................................................................1206.2.3地震作用下边坡稳定性分析................................................................................1216.3本章小结...........................................................................................................................1247结论与展望........................................................................................................................12557.1主要结论.........................................................................................................................12557.2后续研究工作的展望...................................................................................................12727致谢................................................................................................................................12929参考文献................................................................................................................................13131VI 目录附录.................................................................................................................................13939A.作者在攻读博士学位期间发表的论文........................................................................13939B.作者在攻读博士学位期间主持和参与的主要科研项目.............................................13939VII 1绪论1绪论1.1引言1.1.1冻土的分布及对工程的危害冻土本身的定义尚未统一，国内一般将之定义为0℃或低于0℃并含有冰的岩[1]土，国外有学者纯粹用温度定义冻土而不考虑岩土中水或冰的含量甚至是否含有[2][3]水或冰。冻土的分类很细致：在我国，冻土按冻结持续时间及地面温度特征可分为多年冻土、季节冻土和隔年冻土。根据形成与存在的自然条件，多年冻土又分为高纬度多年冻土与高海拔多年冻土；根据季节冻土与下卧土层的关系，季节冻土又分为季节冻结层和季节融化层。另外，按照含冰状态，当凝冰肉眼可见但冰层厚度小于2.5cm时，冻土可分为少冰冻土、多冰冻土、饱冰冻土，当冰层厚度大于2.5cm时，冻土又可分为含土冰层和纯冰层；根据易溶盐含量或炭化程度，含细粒土砂、粉土、粉质粘土、粘土的盐渍度分别超过0.10%、0.15%、0.20%和0.25%时，冻土又称为盐渍化冻土；当粗颗粒土、粘性土的泥炭化程度分别大于3.0%、5.0%时，冻土又称泥炭化冻土；按照压缩性和总含水量，冻土可分为坚硬7冻土、塑性冻土和松散冻土。多年冻土分布面积占全球陆地面积的25%，约3.5×10平方公里，Alaska多年冻土分布约占总面积的75%，加拿大和前苏联约一半的国6土面积被多年冻土覆盖。我国多年冻土分布面积约2.2×10平方公里，占国土（陆[4]地）总面积的22%，居世界第三位，包括青藏高原和东北大、小兴安岭等（图1.1）。[5]冻融作用是在多年冻土地区修筑工程构筑物所面临的重大挑战之一。冻土区公路的冻胀、沉降、路面破裂、边坡失稳等一系列病害，因为冻融作用的影响而[6]较之正常地区更为严重。根据对冻融作用的敏感程度，季节冻结层和季节融化层[7.8]的冻胀性分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀五个等级。根据融化下沉性，多年冻土分为不融沉、弱融沉、融沉、强融沉和融陷五个级别。除了冻土对冻融敏感，冻融作用的产生还需要具备另外两个必要条件：充分的水供给和足够低的温度。典型多年冻土的纵断面温度包络线如图1.2所示。图中活动层是温度在0℃上下波动的土层，活动层的厚度一般在几十厘米到几米不等，地表以下年温度基本不变的深度称为地温年变化深度，一般在10m~20m之间。该处温度称为年平均地温，是表征冻土温度的重要指标之一，我国将年平均地温高于-0.5℃的冻土定义为高温冻土。多年冻土层的顶面、底面分别称为多年冻土上限、下限。图1.3表示0℃等温线随时间及深度变化关系，冻结期将产生冻胀现象，随着温度逐渐升高随之产生融化现象。冻结期在外部荷载作用下产生的超孔隙水压，尤其是1 重庆大学博士学位论文重型汽车荷载作用下产生的瞬间超孔隙水压，若不能通过冻结土层及时排出很可能会破坏路面结构。在融化阶段，随着路面结构的融化以及地基土层冻结厚度的减薄，荷载作用下路面结构破坏的可能性大大增加。图1.1中国冻土分布图Fig.1.1DistributionmapofChina’sfrozenground负温0℃正温冻结期融化期敏感期活动层时间线路面络包度温多年冻土0℃等温线深度未冻结土图1.2多年冻土温度包络线图1.3路面的冻-融过程Fig.1.2EnvelopeoffrozengroundtemperaturesinyearsFig.1.3Freezing-meltingprocessofroadbeds1.1.2青藏高原公路的冻土区分布及危害青藏高原位于中低纬度，北起昆仑山，南至喜马拉雅山，一般海拔64000~5000m，多年冻土分布面积约1.5×10平方公里，占青藏高原总面积的57%，2 1绪论占全国多年冻土面积的70%，是中、低纬度地带面积最大、海拔最高的冻土区。其冻土分布具有多样性，高温、中温与低温冻土均有分布，其中高温冻土分布最[9]为广泛。近年来，全球气候变暖导致冻土退化现象严重。自上世纪40年代以来全球平均气温升高了约0.5~1.0℃。最新统计数据表明，大气中二氧化碳浓度在2012年至2013年间的增长速度达到了1984年以来的最高值。2013年全球大气二氧化碳平均浓度达到396ppm，与2012年相比增加了约3ppm，是1750年工业革命开始之前的1.42倍。受此影响，青藏高原的冻土正处于退化之中，表现为冻土温度[10]升高、多年冻土层变薄、分布面积缩小，冻土天然状态下北界向南退化0.5~1.0km，南界向北退化1~2km。青藏高原大片多年冻土区，年平均气温在-6.5~-2.5℃之间，年平均地温在-3.5~-1.0℃之间，岛状多年冻土的年平均气温在-2.5~-0.8℃之间，年平均地温在-1.5~0℃之间。一般认为年平均地表温度低于-3℃[11]才能保证多年冻土的存在，而根据《中国西部环境演变评估》报告，50年后青藏高原平均气温将上升2.2~2.6℃，届时青藏高原部分区域的年平均气温将为正温。而工程作用，特别是道路工程，显然会对冻土环境的变化产生更为巨大的影响。①青藏公路青藏公路自1950年修建至今，经历了多次改建与整治。公路北起青海省西宁市，经格尔木，南至西藏自治区首府拉萨市，全长1937公里，是国道109线（G109）和丹（东）拉（萨）国道主干线（GZ25）的重要组成路段。自建成以来，一直承担着进出西藏85％以上的货运量和90％以上的客运量，是进出西藏的一条政治、国防、经济“生命线”。随着国家西部大开发战略的持续推进，经济建设向西部倾斜，交通需求日益增大。公路运输在西藏自治区的交通运输中的比重最大，这对青藏公路建设提出了更高要求。如图1.4为青藏公路格尔木至拉萨段线路示意图，其中唐古拉山口海拔最高，为5231m，五道梁和风火山口海拔也超过5000m。图1.4青藏公路线路纵断面示意图Fig.1.4RoadprofileofQinghai-TibetHighway3 重庆大学博士学位论文青藏公路穿越青藏高原的大片连续多年冻土、岛状多年冻土和季节冻土区，长度约632.35公里，具体分布见表1.1。表1.1青藏公路冻土区分段表Table1.1SegmentationoffrozenareasonQinghai-TibetHighway类型名称分界起讫桩号长度(Km)季节冻土K2749+000～K2879+650130.65岛状多年冻土K2879+650～K2886+5006.85片状连续多年冻土K2886+500～K3415+000528.5岛状多年冻土K3415+000～K3512+00097季节冻土K3512+000～K3886+700374.7青藏公路冻土地温监测结果显示，近20年青藏公路沿线的年平均地温上升约[12]0.1~0.8℃。青藏公路路基下冻土退化过程明显高于天然状态，多年冻土由1979年550km减至1991年的522km，退化约28km，岛状多年冻土由1979年的210km减至1991的191km，退化约19km；温度升高对多年冻土路基基底的融化速度影响显著，根据1995年至2002年青藏公路沥青路面路基监测数据，年平均地温与基底年融化速率近似为线性关系。当年平均地温低于-3.0℃时，基底年融化速率在5cm/a以内，而年平均地温为-0.5℃时，基底年融化速率在30cm/a左右。②青康公路青康公路横跨青海省东南部，穿越青藏高原三江源多年冻土区。从河卡山至雁口山段分布着大面积不连续的多年冻土，主要为湿地和高山型多年冻土。其分布见表1.2。与青藏公路相比，青康公路所经过的多年冻土区地温高、含冰量略低，大部分地段多年冻土处于更为严重的退化阶段。由此可见，多年冻土区的融沉与冻胀给公路工程带来了严重危害，多年冻土的存在不仅极大的提高了工程造价，而且制约着多年冻土地区的工程勘察、设计与施工技术，现成的非多年冻土地区的筑路技术不能解决冻土区的各类工程问题的，不然就是病害连续不断，甚至前面施工后面坏，成为填不满的“黑洞”工程。因此，在冻融作用和全球气候变暖冻土退化的影响下，如何准确预测公路工程所在地温度的变化，确保冻土区公路建设质量，采取有效措施防治冻土区公路病害，保证交通畅通、降低建设成本、提高工程使用年限，始终是中国交通建设者们亟待深入研究解决的课题。4 1绪论表1.2青康公路（G214线）共和至玉树段多年冻土区分段表Table1.2SegmentationoffrozenareasinGonghe-YushuSectionofQinghai-KangdingHighway类型名称桩号里程长度（km）地段K301+600～K319+550鄂拉山K347+200～K358+100姜路岭连续多年冻土157.85K411+200～K463+900长石头山K559+900～K636+200巴颜喀拉山K320+900～K321+200温泉谷地K367+800～K382+800苦海盆地K386+500～K395+700醉马滩-红土坡K397+700～K405+200花石峡盆地K465+200～K467+500多钦安科郎盆地K512+300～K515+100黄河谷地不连续多年冻土100.38K520+100～K520+800黑河盆地K532+300～K541+100黑河-野马滩盆地K548+700～K557+800野牛沟河谷K637+200～K664+000查龙穷河谷K665+700～K732+800扎曲河谷K741+000～K748+280雁口山北坡谷地1.2冻土工程国内外研究现状我国春秋战国时期在《礼仪•月令》中就描述了冬春季地基冻融过程和寒冬裂缝形成现象。清初《柳边纪略》记载了东北地区的冻土现象。16世纪北美、西伯利亚出现了冻土的报道。但最早对冻土工程开展研究并建立起独立学科的当属俄罗斯。M.B.罗蒙诺索夫在1757年发表“冻土地”的科学综述，论述了“冻土地”的形成及其与气候、地形的关系。19世纪上半叶，俄罗斯对西伯利亚冻土层的厚度、温度及分布情况进行了研究。后来随着西伯利亚工农业的发展以及大量人口的迁移，俄罗斯于1895年开始修建的跨西伯利亚大铁路在多年冻土地区穿越2200km，俄罗斯也因此走在了冻土研究的前列。北美紧随其后，分别于1904年和[13]1910年修建了Alaska铁路、Manitoba北部的HudsonBay铁路。我国冻土工程[14]研究起步较晚。长期以来，青藏高原是否有多年冻土只能依据气象资料以及个别旅行家关于泥流等现象进行推测。1950年至1954年我国研究人员在青藏公路建设中证实了多年冻土的存在，引起了交通部门的关注。1956年铁道部开始勘测青藏线，对沿线冻土作初步调查。从1960年起，中国科学院地理研究所组成冻土队，5 重庆大学博士学位论文对青藏公路沿线昆仑山至唐古拉山段做了初步考察。青康公路、青藏公路、大小兴安岭林区公路及铁路的修建，开创了我国多年冻土地区研究的新纪元。尤其是[15.16.17]在青藏公路的整治以及青藏铁路的修建过程中开创性地应用了大量新技术（例如首次在高海拔多年冻土地区铺筑沥青路面），使我国在冻土研究领域跻身世界前列。1.2.1冻土工程温度场研究现状首先，在对冻土区地温监测预报上，前苏联在多年冻土区典型地段设有50多个定位观测站，1000m以上深观测孔上百个，主要观测站观测资料积累了近百年；加拿大马更些河谷地带也设有20余个观测场，观测资料积累了近50年，这些观测站为多年冻土区工程的建设和病害治理研究提供了可靠的数据支持。20世纪初，俄罗斯因建设外贝加尔与阿穆尔铁路，开始进行技术系统和自然环境相互作用下的动态监测。维柳伊水电站是俄罗斯冻土区的第一个水电站。在修建坝体时，坝体的温度监测按3个断面线型组织，而地基按注浆隧道轴线组织监测，监测资料用来检验坝体与地基的防渗稳定性，以及预报构筑物在运营过程中的动态热状况。俄罗斯科学院西伯利亚分院冻土研究所在1975年对地面和地下区段围土温度场进行动态监测，对季节冻结融化与管道冻胀以及地下区段沿管线的地温变化进行了监测。其次，在对温度场的研究上，法国著名物理学家Fourier于1822年提出了著名的导热微分方程。若不考虑相变，路基温度场可近似看作平板导热问题，许多学者研究了单层、双层以及多层平板导热模型，常见的分析方法是对导热微分方[18][19]程进行Laplace变换。ArthurH.L.推导了表面温度呈正弦波动时三层平板结构[20]的导热公式，并以此研究了寒区道路碎石层的最小填筑厚度。RevI.Gavriliev假定日气温呈正弦波动并考虑日均气温的变化，推导了两层平板结构的导热公式，并据此研究了寒区道路积雪等覆盖层厚度对路基温度场的影响。尽管冻土工程中传热不是单纯的导热过程，但导热微分方程依然是冻土工程温度场计算的基石，是工程应用中估算温度场的主要手段，例如规范中冻土温度振幅沿深度的变化就是根据导热微分方程推导的。实际上，与单纯导热不同，冻土工程温度场分析常常涉及水的相变问题。水与冰的热学属性差异较大，并且水凝结成冰时放热，冰融化成水时吸热，相变过程中能量与温度的关系如图1.5所示，图中Cf和Cu分别表示冰和水的热容，可以看出能量与温度的关系是非线性的。在考虑相变的冻土工程温度场研究中，Stefan[21]问题是十分经典的，该问题由JosefStefan于1889年至1891年在研究极地海洋冰的冻结与融化时提出，用以计算海冰的冻结深度。经典Stefan问题表述如下：半无限一维空间，初始时刻由处于水-冰转换临界温度Tf的液态水填充，瞬间在半6 1绪论无限空间的顶面施加低于Tf的常温T0，之后靠近顶面的水开始冻结。水的温度保持不变，冰中温度随深度线性变化，某个时刻的温度场如图1.6所示，图中Xf表示该时刻的冻结深度。经典Stefan问题是高度理想化的，它基于以下四项假设：水或冰是均质同性的，即不考虑水或冰的热学属性随温度或深度的变化；水-冰相变发生在水与冰的交界面上，不均在即有水又有冰的区域；水与冰的区域由交界面完全分割开，不考虑冰的出现过程；传热模型仅考虑导热。Stefan公式考虑了潜热但没考虑体积热，因此计算出的冻结深度往往偏大。根据Stefan公式，冻土导热系数越大、T0越低、潜热越小，冻结深度就越大。温度温度Tf融化状态1潜热CuT0能量冻结区未冻结区冻结状态1Cf0Xf深度图1.5水、冰相变中能量与温度的关系图1.6某时刻的温度场示意图Fig.1.5Energy-temperaturerelationshipFig.1.6Temperaturefieldataspecifiedtimeinwater-icetransformation冻结区与融化区的交界面是变化的，因此Stefan问题是典型的移动边界模型。上世纪中叶，随着计算机的诞生、有限元理论的发展和有限元软件的问世以及数[22.23]学界对Stefan问题的关注，Stefan问题研究炙手可热。经典Stefan问题过于理想化，许多学者对其边界条件及假定进行了改进。有些学者将顶面恒温边界条件[24][25]改进为对流换热边界、正弦波动的温度边界；Aziz和Pedroso、Domoto等人考虑水、冰热学属性随温度变化提出了Stefan改进公式；有些学者提出了适用于[26]圆形、扇形、环形、球形等几何形状的Stefan公式。经典Stefan问题针对海洋冰的冻结与融化，物质的状态不超过两类，而工程中地层竖向分布是层状的，层数越多解析解的求解越困难。考虑相变的多层平板导热问题的求解十分困难，随着数值分析方法的发展这一问题的分析才得以实现。运用数值分析方法，Jeffrey[27]M.McKenzie将区域分为冻结区、融化区和过渡区三部分研究了水-冰相变过程。我国在冻土工程温度场研究领域起步较晚，但依托青藏铁路、青藏公路、青7 重庆大学博士学位论文康公路等大型冻土工程，我国在该领域的数值分析、温度实测以及模型试验方面[28.29]取得了丰硕的成果。1961年，中国铁路工程总公司西北科学研究院负责在多年冻土腹部地区海拔4750米的风火山北麓，建立了我国第一座也是世界上唯一的一座全年值守的高原多年冻土定位观测站，开展高原气象、深层地温、太阳辐射、不同下垫面影响、热导、力学参数等项目的长期观测和试验路基、涵洞、挡墙、房屋等工程建筑物热动态变化和稳定性的观测。目前已累计30多年的连续监测数据，获得了1200多万个涵盖高原冻土区各种气象条件和地温资料的数据，这使它对高原多年冻土生存条件的变化趋势及其青藏铁路的建成通车具有不可替代的作用。2002年建成使用的中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室青藏高原研究基地—北麓河冻土工程与环境综合观测研究站。是根据我国青藏铁路建设需要而建立在4700米高海拔地区的一个野外研究台站，海拔高度4628m，距格尔木市320km。为青藏高原腹地集冻土、气候、寒区道路工程、生态环境和植被恢复等研究于一体的综合观测研究站。是青藏铁路与青藏公路建设、运营和维护的科学试验平台。为青藏高原生态环境气候变化提供重要数据积累。布设地温变形观测断面100多个，地温观测孔400多个，变形观测点700多个，综合气象站3套。是冻土工程国家重点实验室冻土区气候、环境与工程等科研工作的重要基地。多年冻土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室青海研究观测基地（原花石峡冻土观测站）以国道214线为依托，从1994年开始，就开展研究多年冻土地区路基、路面病害，首次尝试了抛碎石护坡、遮阳棚、硅藻土护坡、通风路基等技术方案，为了验证和对比各种方案的效用和优劣，建立了聚氨脂板保温材料隔离板、波纹管涵、通风路基、碎石护坡、硅藻土护坡和遮阳棚六种试验路段，并布设了相应的地温观测系统和对比断面，定期观测地温变化情况。试验工程7800米，开展了地温、路基变形、气象等观测，坚持了近20年的数据采集相关工作。[30][31]理论研究上，赖远明对各种形式的碎石路基进行了有限元分析；袁堃对[32]通风路基的应用效果进行了数值模拟；孙斌祥通过模型试验研究了碎石粒径对[33]降温效应的影响；攀云龙研究了多年冻土地区热棒路基的设计原则和方案；郭[34]利娜运用有限元研究了考虑渗流及相变的冻土瞬态温度场。另外，由于自然条件恶劣，冻土地区地温资料的获取十分困难，早期研究常用统计的气温数据推测地表温度。空气的冻结、融化指数被定义为负温或正温的绝对值与持续时间的乘积，用来反映地表冷暖程度，是估算地温的重要参数。由于两者对应关系受地表[35]条件等因素影响，用气温推测地温难以避免地存在诸多不足。周幼吾、吴紫旺等人对青藏公路、青藏铁路沿线多年冻土分布及地温特征进行了实地调研；青藏铁路在北麓河设置试验段进行了为期三年的监测，获取一般路基及主动降温路基8 1绪论温度场大量实测数据。青藏高原冻土分布受海拔、经纬度以及岩土体导热属性的影响。岩土体导热系数越大，散失的热量就越多越容易形成多年冻土。海拔每升高100~150m，年平均地温大约降低1℃；冻土温度也具有纬度变化规律，总的变化趋势是由北往南温度逐渐升高，大约是每往南推进100~200公里，地温升高0.5~1.0℃。青藏高原海拔较低的西大滩滩地(4200~4600m)，土层干燥，植被稀疏，滩地边缘常有温度较高的泉水出露（3~4℃），在西大滩就没有发现多年冻土。随着滩地由东往西和往两侧山地海拔逐渐增高以及岩性的变换，便出现连续多年冻土。在海拔超过4700m的小唐古拉山~唐古拉山，除洪积、冲积、坡积松散层外，多年冻土也呈大面积连续分布。地温还受坡向和地表条件等因素影响。坡向直接影响到地表的受热程度，6、7月间季节融化层同一深度的温度南坡比北坡高2~3℃。地表条件影响空气与地表之间温度的传递，当地表由积雪或砂砾覆盖时，寒冷季节地表温度与气温十分接近，而没有植被覆盖的裸露地表与空气常有较大温差。国外针对地表条件对地温的影响做过长期试验，初始的最大季节冻融深度为1m，在去除地表树木、草皮后，冻融深度不断增加，10年后冻融深度达到3.8m、26年后达到6.7m。根据我国学者的研究，草皮能减小地表温度年较差1.5~4.0℃。草皮越厚对降低地表温度年较差的作用就越大。风火山0.1m厚的草皮减小地表年较差3.7%，0.2m厚能较少约8.5%。根据温泉站监测数据，草皮能降低地表至0.6m深处的地温0.5~5.2℃。不同生态型（丘状、鱼鳞状、片状）的草皮，对地表温度较差减小程度也不一样，丘状草皮减小数量最多（3.1~4.1℃），鱼鳞状与片状草皮次之（1.5~3.7℃）。冬季草皮枯干，虽仍有一些保温作用，但不足以阻挡外界严寒的侵袭，土层大量散热降温；夏季，草皮茂盛，阻隔太阳能的作用显著，使地表能维持较低温度。因此，草皮对土层总是起降温作用。1.2.2冻土区公路病害的研究现状①病因的研究俄罗斯M·B·罗蒙诺索夫在1757年发表“冻土地”的科学综述，对“冻土地”的形成及其气候、地形的关系提出看法。17世纪末，人们认为冻胀病害的病因是土体弯曲变形。1885年，俄罗斯学者В.И.Штукенберг提出了水分迁移“冻结孔隙的毛细管理论”，第一次提出土的冻胀原理：认为冻胀是由于在“水沿裂隙”及“冻结孔隙”形成的毛细管上升过程向冻结锋面迁移而引起的。1912年，КОНикифоров的著作中进一步验证了导致土体冻胀的最主要原因是由于水分的迁移。一百多年前，在后贝加尔和近阿穆尔地区的横跨西伯利亚大铁路的建设过程9 重庆大学博士学位论文中遇到了永久性的冻土问题，工程技术人员投入了大量的人力、物力对冻融现象、机理进行科学试验和系统研究，西伯利亚铁路的建设，使俄罗斯在国际冻土研究领域一直处于领先地位。而在美国，泰伯首先提出了结晶力作用下的“水分迁移理论”，在结晶力的作用下，大孔隙从未结冰的小孔隙中吸取水分，从而使大孔隙的冰晶体体积不断增大发生了冻胀现象。三十年代，美国学者贝斯考通过观察冰形成过程，认为在自然条件下土分散性与毛细管的作用紧密相关，并提出将地下水、土粒性质与毛细管上升高度综合起来，用来评价土的冻胀性。1957年美国学者潘纳提出将土中水分迁移和冰析出同土的分散程度和孔隙率紧密联系起来的假说；1958年美国学者居密克斯在对冻土水分迁移机理的论述中，认为按照土孔隙率，冻结土中水分迁移借助于薄膜机构、毛细管机构、蒸汽机构的共同作用，而最有效的是毛细管－薄膜机构，其为冻土带中生长起来的冰晶提供水分补给。1955年，毛细理论即第一冻胀理论被提出，被广泛接受而且很快得到了发展。然而该理论不能解释不连续冰透镜体形成的原因和低估了细粒土中的冻胀压力。1972年，Miller提出了第二冻胀理论，该理论认为：在冻结锋面和最暖冰透镜体的底面存在一个低导湿率、低含水率和无冻胀带，称为冻结缘，冻结缘克服了毛细理论的缺陷不足，得到了广大学者的认可。随后冻土界学者分别从不同角度对冻结缘形成、发展及特征进行了试验和理论分析，发表了大量文章。1973年，前苏联学者崔托维奇出版了《冻土力学》，该书中系统地论述了冻土力学试验、理论和实际应用，标志着冻土研究领域进入了新的发展阶段。在1997年“国际地层冻结和冻结作用”会议上美国学者KarenS.Henry、芬兰学者S.Saarelainen和日本学者F.Tsuchiya分别报道了用土工布隔断毛细水成为防冻材料的室内试验结果；日本学者KunioWatanabe通过室内冰冻试验，用CCD相机观测了冻结锋面的微观结构；日本学者SinichiroKawabata报道用石灰土换填法处理路基冻胀的问题。2000年“国际地层冻结和冻结作用”会议上，Cames-Pintaux对道路冻结过程中的热参数进行了定量计算，导热系数和含水率分别是随气候变化中起到重要作用，是对流交换系数及初始稳定状况在路基水热性质，Watanabe学者认为冻结锋面处的颗粒含量与临界冻结速率有关。Akagawa提出了静态冻胀控制理论并通过试验加以验证。多年冻土区道路工程成败的关键在路基。与普通路基最显著的差异在于冻土路基上部有季节冻融的活动层、下部有对温度极为敏感的多年冻土层。路基设计首先应根据路面类型、多年冻土层厚度、年平均地温、冻土总含水量、区内冻土分布及变化情况判断多年冻土的稳定性，并考虑工程建设的技术经济可行性与合10 1绪论理性，分段采用不同的设计原则。其中冻土层厚度、年平均地温是技术可行性的两个重要指标。B.A库德里亚夫按照年平均地温对活动层季节冻融状态进行分类，如表1.3所示，其中过渡型的活动层季节冻结和融化最不稳定。我国目前普遍采用的年平均地温与多年冻土稳定状态的关系如表1.4所示。表1.3活动层季节冻融的分类Table1.3Classificationofseasonalfreezingandmeltingofactivelayers年平均地温Tcp(℃)Tcp<-2-1≤Tcp≤1-2≤Tcp<-1或1≤Tcp2季节融化类型稳定过渡型半过渡型表1.4冻土稳定状态的分类Table1.4Classificationoffrozengroundstabilities年平均地温Tcp(℃)Tcp<-3-3≤Tcp<-1.5-1.5≤Tcp<-0.5-0.5≤Tcp<0冻土稳定类型稳定基本稳定不稳定极不稳定②病害的防治措施研究年平均气温低于-1.5℃的地温稳定和基本稳定多年冻土区，以及当地多年冻土天然上限小于2m、厚度大于10m的路段，路基应按“保护冻土”的原则设计施工。对于平均地温较高，冻土不稳定或极不稳定且冻土层厚度不超过2m的地段，由于道路结构吸热会降低冻土上限，多年冻土消融退化的趋势难以避免，采用主动降温技术即使在技术上可行在经济成本上也是不合理的，当含冰量较低时清除地面表层加速热量吸收以对基底进行“预融处理”是最佳方法，当含冰量较高时则可采用人工爆破、机械开挖等方式铲除并换填干燥土层。当基底地质情况良好，为少冰冻土或为多冰冻土，且融化下沉后不会造成路基病害时，通过增加路堤高度或铺设保温隔热材料等增加热阻的方式就可以使路基稳定。通过选择合理的路面材料、铺设保温隔热层控制路基融化速率。邻近多年冻土分布区域边界且已处在退化状态中的零星岛状多年冻土路段，以及基底小范围多年冻土厚度不超过5m且下部为少冰冻土、多冰冻土或基岩的路段，若通过高路堤增加热阻延缓冻土上限的下降速度，则往往由于路堤过高而形成融化夹层从而降低路堤稳定性，这两种情况下路基设计也应遵循控制融化速率的原则。对于年平均地温高于-1.5℃厚度超过5m的多年冻土高含冰量路段或岛状多年冻土区高含冰量路段、冻土含冰量低但区域路基病害严重路段以及存在不良冻土现象的路段，应按“主动冷却、综合治理”的原则设计施工。按照对地温影响方式的不同，目前已有的工程措施可以划分为被动措施和主11 重庆大学博士学位论文[36]动措施两大类，前者主要指维持地温的原始状况或减缓冻土的退化，后者是积极主动地改造冻土的热状况，使其向有利于工程稳定的方向发展。被动措施目的在于克服或延缓由于冻土退化造成的路基破坏，在长期的冻土[37]退化背景下，路基仍然可能会出现一系列病害，并需要不断地投入维护费用。最常见的被动措施就是增加路堤高度以提高热阻减缓冻土融化速率。大量的现场监测数据表明：零填路基或低填路基修筑后夏季吸热量明显增大，多年冻土上限降低。保持多年冻土天然上限不变的最小路堤高度被定义为下临界高度，不会产生融化夹层的最大路堤高度被定义为上临界高度，许多学者研究了上临界高度、[38.39.40]下临界高度的确定方法。青藏铁路路基设计规定最小路基高度如表1.5所示，后来经过近50个断面的钻探发现路基中普遍形成了冻土核，表明一定的路基高度使得多年冻土上限升高。表1.5青藏铁路高含冰冻土地段粘性土路堤最小设计高度Table1.5MinimumdesignedheightsofclayembankmentsinsectionsofhighicecontentonQinghai-TibetRailway年平均地温Tcp(℃)Tcp<-2-2≤Tcp<-1-1≤Tcp<-0.5-0.5≤Tcp≤0最小设计高度(m)1.51.92.32.5图1.7保温层路基图1.8遮阳板路基Fig.1.7RoadbedsatinsulatinglayerFig.1.8Roadbedswithsunshades被动措施还包括改变路面热辐射条件以及铺设保温隔热材料（图1.7）以增加[41]路基热阻等。改变路面热辐射条件包括采用浅色路面、浅色填料以及使用遮阳板（图1.8）等。浅色路面包括骨料为浅色配方的水泥混凝土路面、浅白色砂石配方的改性浅色沥青路面、喷涂浅白色油漆等耐久材料的路面以及喷涂浅色反光材料的路面。浅色路面能增大反射率、减小辐射热，观测资料表明浅色路面可使路12 1绪论面温度降低2℃以上。上世纪80年代，俄罗斯学者建议试用遮阳板。后来我国对遮阳板进行了公路边坡防晒试验，发现其不仅能降低太阳辐射还具有对流通风的[42]作用，但是普通遮阳板在高原地区耐用性差，可用混凝土槽形板、U形板代替。在铺设保温隔热材料以增加路基热阻方面，美国陆军寒区研究中心于1947年开展了利用保温材料抑制冻土融化的研究，研究表明在大部分多年冻土地区保温材料可以用碎石代替，而对于处在消退状态的多年冻土，保温材料可以减缓其消退速度但不能改变其消退的趋势。20世纪50年代，挪威、芬兰等国开始尝试采用树皮、草皮、泥炭作为保温材料。20世纪60年代，美国就提出了将保温层用于保护多年冻土的专利，20世纪60年代末，在美国AlaskaKotzebue机场建设中，在跑道填土中采用了聚苯乙烯保温层；20世纪70年代初，加拿大在多年冻土区砾石公路上进行了保温层试验研究；俄罗斯在修建贝阿铁路时，在部分区段道碴下及边坡上使用了泡沫板材料。20世纪70年代中期，我国在青藏高原风火山地区首次开展了保温材料对路基稳定性的试验研究，试验结果表明：保温材料对浅层地温影响明[43]显、对深层地温影响不大，保温材料不能改变路基吸热量增加的趋势。青藏公路大修时在昆仑山垭口某区段埋置了XPS保温层，十年后埋置了XPS保温层的区段地温明显低于当地未埋设XPS保温层的区段，表明保温层明显降低了地温上升速度、抬升了多年冻土上限。保温层不仅适用于产生融沉病害的路段，在深季节冻土冻胀病害路段也可以利用保温层来减小冻结深度、整治冻害。随着活动层厚度的减小，边坡和路堑的开挖、换填深度也随之减小。保温层对于防渗以及增强路基整体性也具有重要作用。目前保温材料还不能直接承受车辆荷载，其上部填料太薄保温层容易破坏，填料太厚又难以满足压实要求。另外，在高地温、高含冰量和高含盐量的冻土地段、冻胀丘活跃区、岛状冻土与融区间隔分布地段、径流量大且径流期长的过水沟谷以及沼泽地等不宜大面积扰动的地段可采用低架旱桥，既减少了地面扰动又起到了类似遮阳板的作用，但其造价太高。主动措施主要包括通风路基（图1.9）、碎(片)石路基（图1.10）及热棒（图1.11）等。通风路基一般用于路基高度超过2m的高温高含冰量多年冻土路段，管径一般[44]为0.3~0.4m，最小0.2m。通风管的分布形式有纵向、横向以及竖向结合横向三种。通风基础曾被广泛应用于仓库、房屋以及储油罐的建设。1928年通风地下室在冰川气象站建设中取得成功应用。1966年，Lobacz研究了架空通风基础（图1.12）距离地面的合理净空。1974年美国在Alaska富冰粘土公路进行了金属波纹管的通[45]风试验。俄罗斯关于通风管路基的文献很少。我国在青藏公路、青藏铁路的修[46]建中都进行了通风管路基试验，通风管都是采用横向布置，但没有推广应用。[47]NiuFujun对青藏铁路北麓河段的常规路基和通风路基进行了为期3年的现场监测，发现通风管对路基制冷、维持路基热稳定具有良好效果；管径越大温度波动13 重庆大学博士学位论文越大；普通路基的基底地温呈升高趋势，而通风路基的基底地温呈降低趋势，并且通风管靠基底越近该趋势越明显。图1.9通风管路基图图1.10碎石护坡路基Fig.1.9RoadbedswithventductsFig.1.10Roadbedwithrubbleprotection图1.11热棒路基图1.12架空通风基础Fig.1.11RoadbedwiththermalrodsFig.1.12Roadbedsofemptyspace碎(片)石路基一般用于高温冻土区地下泉水发育或地表径流发育的区段，也可用于治理高含冰量区段融化夹层发育所引发的路基病害。石料采用坚硬或较坚硬岩石，片石粒径一般控制在10~25cm之间，碎石粒径一般控制在0.05~0.1m之间，强度不低于30MPa。碎(片)石路基主动降温的机理在于：碎(片)石间温度不均匀引[48][49]起空气密度不均匀，空气在重力作用下产生自然对流。Harris在青藏高原昆仑山垭口和加拿大阿尔伯特分别进行了两年的观测，发现碎石层下的年平均地温比相邻地温低4~7℃。在世界其它地方，年平均气温为5.5~8℃时碎石下发现多年冻土的记录也不鲜见。在实际使用中，碎(片)石间空隙常被上部填料等填充从而降低[50]了主动降温效率。从提高自然对流效率的角度考虑，碎(片)石层在路堤中铺设的位置应当在满足力学的前提下尽量靠近路面，但从吸收基底热量效率的角度考虑应尽量靠近基底，因此碎(片)石层的合理位置应综合考虑。赖远明对开放碎(片)石14 1绪论路基、封闭边界碎(片)石路基以及U形碎(片)石路基温度特征进行了有限元分析，分析表明：开放碎(片)石路基和封闭边界碎(片)石路基的降温效果主要集中在坡脚以下，U形碎(片)石路基对坡脚及路基中部都具有良好的降温效果。热棒是用无缝钢管做管壳，将管壳焊接密封，然后抽成真空后将液体工质注入后形成的，由蒸发段、绝热段及冷却段三部分组成。在寒冷季节，由于空气温度低于多年冻土，蒸发器中液体工质吸收多年冻土中的热量而蒸发，蒸汽在管内压差的驱动下沿热棒中心向上流动至冷凝器，与相对温度较低的冷凝器管壁接触后放出气化热冷凝成液体，液体工质在重力作用下沿管壁流回蒸发器再蒸发，如此循环吸收冻土中的热量。在暖季，由于气温高于多年冻土，热棒停止工作。通常采用的热棒基管直径为89mm，总长度为12m，其中蒸发段长6m，绝热段长3m，冷凝段长3m，埋入土中8.0m，外露4.0m。热棒是利用汽液两相转换，通过对流循环换热来实现热量传输的装置。热棒于每年的10月中上旬开始工作直至次年的[51]3月中上旬。俄罗斯、美国使用热棒的历史均超过半个世纪。我国在上个世纪70~80年代先后在青藏公路和东北地区对热棒进行了试验，主要用来降低不良路[52]段、不稳定路段的地温，以防治冻害。汪双杰对热棒冷却效果进行了有限元分析，分析表明：热棒作用的最大距离为7.6m，有效影响范围约为2.25m；从冷却效果看，双棒优于单棒，斜置优于竖置。综上所述，各国学者对冻土区公路工程进行了大量卓有成效的研究，取得了丰硕的研究成果。特别是结合外部气候条件、冻土内在因素以及公路工程的特点，国内有很多学者专家研究了通风管、硅藻土护坡（图1.13）、堆石体（图1.14）、保温板、遮阳板路基等特殊路基结构修筑新技术，也对各种冻土路基结构的温度[53]场进行了理论研究，例如叶学民等人对多年冻土块石通风路基温度场数值进行模拟与分析：图1.13硅藻土护坡路基图1.14堆石体Fig.1.13RoadbedwithdiatomiteprotectionFig.1.14Bodyofrubblestructure15 重庆大学博士学位论文1）根据热传导微分方程应用显热容法，建立了含相变的普通路基非稳态温度场有限元分析模型；根据多孔介质中流体热对流的连续性方程、动量方程和能量方程使用Boussinesq，近似建立了耦合的非线性的块石通风路基温度场有限元计算模型；2）对同一区域的普通路基和块石通风路基温度场进行了有限元计算，比较了同期两种路基的温度场，比较了不同时期块石层内的速度场，对块石通风路基的工作原理进行了有效的分析；3）对不同块石层厚度、粒径、埋设位置以及年均地温下的块石通风路基进行了数值模拟，并进行了同期温度场的比较，详细分析了冻土保护效果的影响及块石路基的适用条件；4）保温板路基具有良好的应用前景，但是对于保温板路基结构参数如保温板埋设位置及保温板厚度、埋设深度、保温板上的路基填料、保温板路基施工关键工艺等有待进一步的研究讨论。[54]再有，刘伟江等人以青藏公路五道梁处的通风管试验路为计算模型，建立了含相变的路基非稳态温度场有限元分析模型，对不同形式下的通风管路基的温度场进行了有限元计算，重点分析了路基高度、管径大小、通风管埋设深度、管距对通风管路基温度场影响。上述研究对于解决某一冻土区公路工程的实际问题具有非常重要的指导意义。但是公路是一个线性结构物，一条公路的不同路段，同一地区的两条不同公路，外界环境、内部条件都会千差万别。随着时间的推移，不同时段，公路环境条件也在发生着变化，例如高原冻土区的退化造成的巨大影响。因此，目前的研究成果尚未形成一个较为完整的理论体系，对长达数十年甚至更长使用周期的公路环境变化，特别是冻土区温度变化趋势的预判无法准确。对于当前采取的各项防治技术的作用机理的研究还不够深入，造成同一技术在不同公路，甚至同一公路不同路段的使用上产生较大的局限性和差异性。③病害的断链防治理论研究[55]肖盛燮等以生态环境形成灾害的共性为探索背景，通过灾害的共性抽象与提炼揭示灾害链式规律，构建灾变链式理论。指出链式形态是对灾害的抽象，灾害是链式形态的依托。提出早期孕源断链减灾机制与途径，并运用灾变链式理论对山地高速滑坡灾变、交通设施边坡灾害进行深入研究。特别是对寒区隧道工程，分析了灾变链式特征、建立了4种灾变链式模型并进行了求解。但目前为止，还没有将灾变链式理论或类似理论用于道路本体病害及其防治技术的研究。16 1绪论1.3本文主要研究内容及技术路线本文在国家自然科学基金项目“基于灾变链式理论的多种灾害演化规律探索”（项目批准号：50879097）和教育部长江学者和创新团队发展计划项目“山区岩土工程”（项目批准号：IRT1045）的资助下展开相关研究。以青藏、青康公路穿越多年冻土区路基为研究对象，运用灾变链式理论系统地对冻土区路基病害链及断链防治机制展开研究，并在实际工程中推广应用。重点在以下几个方面进行研究：①冻土区公路路基病害链及断链防治机制研究公路病害在演化过程中具有链式规律的普遍特点，在深入分析公路路基各种病害特征的基础上，提出了“公路病害链”概念和“断链防治”原理，并对青藏公路和青康公路等冻土区公路的路基病害链的链源的“链式效应特征”及断链防治的机制进行系统研究。将冻土区公路的路基病害断链防治措施归纳为阻止类、隔断类、消弱类和复合类四种，为下一步对冻土区公路路基病害断链防治技术的作用机理及应用研究探索理论基础。③冻土区公路路基病害链链源特征分析对冻土区路基病害链外环境及链源特征进行分析，通过快速傅里叶变换分析了青藏公路路面日、年温度数据变化特征，并运用BP神经网络及ARMA模型建立了日、年温度的预测模型，为工程需要假定路基温度场某一较短时长内的温度条件提供预测。③冻土区公路路基病害隔断类断链防治技术的作用机理研究根据经典的导热微分方程推导一种适用于求解多层平板理论上任意层数的平板瞬态导热问题，且对复杂的初边界条件适应性非常强的差分格式。利用差分程序计算分析以XPS板隔热层路基为典型代表的隔断类断链防治技术的作用机理。并通过分析试验路段的路基温度场实测数据进一步验证XPS板隔热层的作用机理和多层平板瞬态导热差分程序的适用性。④冻土区路基病害消弱类断链防治的作用机理的研究考虑通风管的管内风速这一影响因素，通过建立通风管路基流场与温度场耦合模型，运用有限元分析研究通风管路基的作用机理。并通过分析试验路段的路基温度场实测数据对通风管的作用机理进行进一步的验证。⑤考虑水-冰相变后含水率对冻土区粘土边坡土体物理、力学性能的影响，比较了Janbu法、瑞典条分法、简化Bishop法和数值分析中强度折减法，确定了冻土区高含水（冰）量粘土边坡稳定性分析的Janbu法并结合温度场计算，分析了不同含水率及7级地震工况下的边坡潜在滑裂面及稳定系数。得到了可以用于冻土17 重庆大学博士学位论文区高含水（冰）量粘土边坡稳定性分析的一个简便的方法。本文研究的技术路线见图1.7。冻土区公路路基病害断链防治技术的理论研究与实践现场调研病害类型及原因分析链式理论病害链链源特征分析病害断链防治机理研究温度特征分析稳定性分析高含数值模现场试验研究冰量边坡拟研究ARMA模型BP神经网络XPS防治机理研究防治机理研究模型建立温度场预测切断类断链消弱类断链通风管路基板路基主要结论图1.7论文研究技术路线Fig.1.7Theprogramoftechnicalresearch18 2冻土区公路路基病害的链式规律及断链防治机制研究2冻土区公路路基病害的链式规律及断链防治机制研究公路是地球表面延伸较长的带状构筑物，跨越地域广泛，环境复杂多变。由于受各种自然或人为因素的影响，公路在建设及使用过程中不可避免会产生多种病害，如路基的开裂、沉降、边坡崩塌、滑坡等；路面的开裂、不平整、断板等；桥涵的构造裂缝、桥头跳车、断桩等；隧道的衬砌腐蚀和开裂等。这些病害造成公路质量下降，养护和维修费用增加，交通安全隐患增多，从而影响交通运输的正常运行。因此，公路病害机理及防治技术的研究始终具有重要意义。路基是冻土区公路结构安全稳定的关键，冻土区公路路基病害的产生主要是由于冻土的融化导致地基、路基内部水分迁移聚集，从而造成结构体变形失衡。国内外学者围绕力的传递和水热传输，通过现场试验分析温度场变化，对冻土区公路路基病害机理及防治技术展开了卓有成效的研究。本章力图在前人研究成果的基础上，通过深入分析路基病害各种病因的相互关系和影响特征，探讨路基病害产生的规律和机理，寻求冻土区公路路基病害防治的有效途径。2.1冻土区公路路基病害的链式规律研究2.1.1公路病害的链式特征①公路结构的层状结构特征公路结构体自上而下由路面、路基和地基3个结构层构成，其中路面又至少由面层和基层构成，路基在施工时必须分层填筑压实（图2.1）。公路的每一结构层是相互独立同时又相互依存的。而且，公路结构设计的基本思想是利用结构层逐层传递和逐级消弱外界影响因素（车辆荷载与水）的作用直至消失，表现出明显的层状结构特征。图2.1公路层状结构Fig.2.1Stratifiedstructureofhighway19 重庆大学博士学位论文②公路病害演化的阶段性和趋极性将外界影响因素（车辆荷载与水）的作用视作能量，公路病害的演化过程就是一个能量逐渐积累的过程，是量变到质变转换的过程。能量积累到一定程度，结构体变形到一定尺度便产生破坏。公路病害这种演变过程有着明显的阶段性，其孕育—发展—突变，三个阶段相互关联。每一种病害的最后阶段都趋于一个极值态，极值态是相对稳定的状态，公路病害演化趋向一个稳定态是十分自然的。如果最终不是相对稳定态，病害将继续不断地演化下去，直到达到稳定状态为止。③公路病害的传递性和转化型以公路结构层开裂病害为例。路面开裂，破坏源由路面裂缝渗入，可以导致基层、路基开裂。反之，路基开裂向上发展，同样可以导致基层、面层的开裂破坏，此即传递性特征。而当路面开裂后，随着水及污染物等外界因素的渗入，公路下层结构可能产生下沉、脱空等其他病害，病害发生了转化。④影响因素的叠加性和耦合性引起公路病害的因素是多种多样的，任意一种病害的产生原则上都不是某一种因素独自导致，水与土是影响作用最大的两种因素。沉降、路基边坡失稳等病害往往是水、土共同作用的结果。如果再叠加公路结构几何形状与尺寸、车辆荷载等因素，病害就会呈现出由点到面、由浅及深（或由深到浅），由单一到综合的变化特征。因此，叠加性和耦合性既表现出影响因素的叠加与耦合，又表现出病害之间的叠加与耦合。综上所述，公路结构可以看做是由几个“链环”（结构层）相互“链接”而形成的“链”。外界影响因素在“链”中进行传递、叠加和耦合，当量变到一定程度而发生质变，则导致病害。每一个“链环”内部也有可能由一条或多条“链”构成，公路病害在演化过程中沿着各条链呈阶段性的传递、转化，表现出明显的链式特征。所以，将外界因素（自然或人为）定义为公路“病源”，将病源导致的公路病害，抽象为具有载体共性反应特征以描绘单一或多种病害的形成、渗透、干涉、转化、分解、合成、耦合等相关的物化流信息过程，直到造成破坏和损失[56]等各种链锁关系可称之为“公路病害链”。按照公路结构组成，将公路病害链划分为路面病害链、路基病害链和地基病害链。各病害链的“病源”也可以称之为“链源”。2.1.2公路路基病害的链式形态①路基病害链的主要类型公路路基所处的环境千变万化，所处地段的水文地质情况错综复杂，填土的密实与自然的固结都需要较长的时间完成，且常年受重复荷载作用。因此，在施20 2冻土区公路路基病害的链式规律及断链防治机制研究工过程中和完工后的使用、养护阶段发生的病害较多，常见的病害及病因有以下几种：1）沉降：由于路基下部天然地基承载力不足以支撑路堤重量，或路堤自身压缩变形而造成路堤整体下沉、局部沉降或不均匀沉降。2）路基纵、横向开裂：主要由上部荷载直接作用、路基本体不均匀沉降、面层或地基开裂等引起。3）边坡滑塌或滑动、泥石流：由于边坡坡度过陡，或坡脚冲刷淘空，土体沿边坡向下移动而成为溜方，向下滑动而成为滑坡。山区沟谷中的路基挖方边坡，由暴雨、雪融水等水源冲刷，形成含有大量的泥砂、石块的泥石流。在层状结构的公路路基中，路基本体结构和边坡病害的形态不同，因此，公路路基病害链是由路基本体病害链和边坡病害链共同组成。路基本体结构病害往往是从结构的某一点或某一层面开始形成，然后向周围或深部逐渐呈链式状态延伸，在延伸过程中病害类型状态基本相同或者相近，而且成因可能是某时某刻的链源启动或某一时段的链源叠加耦合，这具有典型的[55]“蔓延侵蚀链”的特征，其链式示意如图2.2。图2.2蔓延侵蚀链示意图Fig.2.2Extendederosionchains相对于路基沉降、开裂等本体病害，路基边坡滑塌或滑动、泥石流这些类型的病害，往往是破裂或随重力作用下具备下滑条件的边坡结构，在水文地质情况、21 重庆大学博士学位论文边坡形状、环境、气候等内、外因素影响下发生的病害，虽然也是从边坡结构的某一点或某一层面开始形成，然后向周围或深部逐渐呈链式状态延伸，但在延伸过程中病害类型状态呈现出阶段性的不同，各病害具有相对独立的链式结构（图[55]2.3）。图2.3崩裂滑移链示意图Fig.2.3Extendederosionchains②路基病害链中的“链源”与“外环境”如图2.2、2.3所示，公路路基的两大病害链都是由“链源”启动，“链源”即是各种致病因素或者他们的组合。公路病害形成与发展的主要因素，按照建设程序可以分为设计因素、施工因素和养护因素，按照结构可以分为内部的材料、[57]施工工艺因素；外部的湿度、温度、荷载等因素。在病害链中传递的能量，既有机械能，更有辐射能（主要是外因中的太阳光辐射）和热能（气候变化导致的热量聚集）。辐射能和热能演化的态势与机械能不同，他们既有由低到高过渡、聚集或诱发的过程，也有由高到低的耗散过程，随时间周而复始、呈螺旋状循环往复。路基病害链的“外环境”是指病害链边界外的所有环境因素，包括大气环境、水环境等，为便于研究，本文将其界定为包裹路基结构的物质体。路基本体结构病害链的外环境有路面、路基边坡和地基，三者都能够以病害链的形态存在，所以路基病害链的外环境的实质是路面病害链、边坡病害链和地基病害链。路基边坡病害链的外环境有气候环境、地基和路基本体，亦即气候环境、地基病害链和路基本体病害链。“链源”一般都是通过路基病害链的“外环境”作用于“病害链”上的。“链源”在路基病害链中是可以控制的，而“外环境”无法被控制，它是链源进入路22 2冻土区公路路基病害的链式规律及断链防治机制研究基病害链的第一条路径，可能影响到路基所有病害的产生与发展。③路基病害链的载体及其特征链源在病害链中的传递必须依靠载体演化，除了以物质、能量、信息方面作为基础条件外，在病害链的演化过程中还存在性态、量级和时空等演化规律。公路路基病害链载体主要包括路基土体、水（物质），载体的性质和状态演化主要包括阶段性、延续性、周期性、间断性和潜在性。病害链载体数量的变化特征主要包括耦合性、叠加性、聚集性、离散型、传递性、转化型和扩增性。而路基病害类型特征及表现形态的差异体现了季节、空间位置的时空演化。路基病害的形成都有一个逐渐演化的过程，亦即病害产生发展的延续性。例如，沉降的演化是由下到上，由点到面，由局部到整体逐渐发展而成。过大的沉降可能会造成路基边坡稳定性的逐步破坏，也可能使得路面结构层逐层开裂。这种延续性的演化过程必定是随时间的推进，以物质或能量等载体形式予以表征，由量变到质变进行演化。④路基病害链式系统结构如图2.4所示，不同病害D的演化有着不同的过程规律，但在结构变化特征(n）上体现了一致性：所有病害都表现出在外环境E的作用下，受各种因素F的影(D)(t)响，其内部结构状态S、内部响应状态C、内部存在状态S和对外作用Rl(m)(m)e(i)(H)等三方面的复杂动态变化规律。D(n)Se(t)Sl(m)E⎯F⎯→(t)⎯W⎯→⎯(t)R(D)(H)C(m)图2.4路基病害链式系统结构特征图Fig.2.4Structuralfeaturesofsystematicalchainedroadbedproblems⑤路基病害链式效应的表现形态各种病害在演化过程中都表现出周期性、链发性、季节性和区域性四个特征。对于特殊区域内的路基来讲，其最大的特征是链发性（图2.5）。路基的主要病害是沉降，沉降病害的发生与路基其他病害如边坡坍塌有着相互影响，也是造成路面基层开裂、桥头跳车的主要原因。与此同时，由于各种链源导致的路面病害（如23 重庆大学博士学位论文开裂）造成下部路基失去防护层，载体水和荷载超量传递进入路基而引发路基土体和水发生形变产生破坏。这种病害之间相互影响的关系是路基病害链发性的主要表征。S⎯R⎯→2,1(⎯⎯Se)S⎯R⎯→3,2(⎯⎯Se)SS⎯R⎯→2,1(⎯Sl)Se)1(e)2(e)3(l)1(l)2(C(m)图2.5路基病害链发性示意图Fig.2.5Chainedoccurrenceofroadbedproblems路基病害链式形态表征为链源之间的和病害之间的作用关系结构，表现为某一病害的多种形态的存在性和不同链源之间或不同病害之间的作用关系的复杂性。路基病害链的主要载体是填料，病害链形成过程是填料的单体演绎或多体态聚集、耦合与叠加。同时，能量（荷载等）通过的聚集、传输与转换构成了病害之间和内部作用结构的耦合与嵌套关系．在病害形成过程中，表现出不同破坏作用，同时也为破坏力的度量提供了基础条件。路基病害链式形态也是病害的时空演化的结果，不同的时空状态，病害形成的类型特征和表现形态千差万别，例如平坦地区，路基病害表现为沉降为主，带动填筑体开裂或滑塌，山岭区则以路基纵横向滑动带动边坡滑塌，也引起沉降；季节性是病害链式形态随季节变化而反映的特性，如雨季，边坡经冲刷变形产生滑塌，继而引起沉降直至路基滑动，各种病害的链式形态均具有明显的季节性特征。2.1.3冻土区公路路基病害链式效应特征①冻土区公路路基病害链的类型特征首先，冻土区公路路基病害的形成也是在链源的传递与作用下，载体发生共性反应，量变到质变产生单一或多种病害并形成渗透、干涉、转化、分解、合成、耦合等相关的物化流信息过程，直到造成破坏和损失。在冻土区公路路基层状结构中，病害也具有从某一点或某一层面开始形成，然后向周围或深部逐渐延伸，在结构变化特征上体现了一致性，呈“蔓延侵蚀链”（图2.2）的特征。其链式系统结构和形态也与普通公路一样，见图2.3、图2.4、图2.5。其次，在特殊的环境气候作用下，与普通路基相比，冻土区公路路基病害的24 2冻土区公路路基病害的链式规律及断链防治机制研究演化有着不同的过程规律，例如青藏高原太阳辐射异常强烈，温度变化幅度较大，所以冻土区公路路基病害的病因中，在周边环境及气候条件的作用下，水的相变和热能对路基病害的影响远远大于一般公路。而且周边环境及气候条件的影响有鲜明的季节性和区域性，水、热能的影响随着季节和地理位置的变化而呈现周期性的变化。由此可见，冻土区公路路基病害的链式规律既符合“蔓延侵蚀链”（图[55]2.2）的特征，也符合“周期循环链”特征（见图2.6）。病害链呈现值成现期成现期物流物流物流物流聚集耗散诱发耗散始发期低谷期平稳期时间过渡期活跃期过渡期平静期过渡期重发期过渡期积蓄期过程过程潜伏期过程过程潜伏期图2.6周期循环链示意图Fig.2.6Chainsofperiodicalcycles第三，冻土区公路路基边坡病害形式也与普通路基相同。正常情况下，边坡冲刷及荷载作用仍是边坡失稳病害的主要病因。但由于冻土区路基填挖尺寸小，边坡坡度平缓，所以边坡冲刷及荷载作用对边坡稳定性的影响程度应该低于另一地域特征明显的因素——边坡土体的含冰量，含冰量的大小这一影响冻土区边坡稳定性的重要因素是普通公路无需考虑的，所以冻土区公路路基边坡病害链式特征与普通公路相比产生了一定变化（图2.7）。②冻土区公路路基病害链的链源、外环境、载体及其特征通过对现状公路的调查分析发现，无论是路基还是路面，抑或其他结构，无论造成病害的原因是公路结构材料本身还是外界因素（如水、温度等），冻土区公路路基病害链的链源、外环境和载体的形式与其他公路并无不同，但导致病害的病源却有着明显的地域特征，链源中的水和热能，在冻土区特殊的气候条件下，其传递途径和方式发生较大改变，渗透、干涉、转化、分解、合成、耦合活跃程度明显增大，这就使得冻土区公路路基病害链的链源结构层级改变，水与热能上25 重庆大学博士学位论文升到了主要地位。c启动内因d诱发外因b1c1土石裸露d渗水振动1塌方内有裂缝能量冲击a破坏消能链源暂处稳态b2岩土松散渗水扰动c2d2滑动坡面滑移能量转换图2.7冻土区公路路基边坡病害链示意图Fig.2.7Schematicdiagramofpermafrostregionhighwayslopediseasechain与链源的特征相类似，冻土区公路路基的外环境在特殊气候条件下也表现出不同于普通公路的特征。沥青路面强烈的吸热与阻滞蒸发作用再次加剧了热能对路基病害链的影响；边坡、地基中水的相变在周期性冷热交替的气温下越发频繁，严重影响着边坡和地基的稳定。基于冻土区公路路基病害链的链源、外环境、载体对病害链的至关重要的作用，本文在第三章对部分重要链源和外环境的影响特征展开进一步研究。④冻土区公路路基病害链式效应结构关系冻土区公路路基病害链的系统结构如图2.4所示，融沉或冻胀病害链系统D(n)由n个相互关联的子系统e)1(，…，e)2(，…，e(n)构成，可以记为：D(n)={ei)(i=,2,1L,n;n≥1}该病害系统是以某种状态形式客观存在的，这些状态可以用子系统的状态参量表示，各子系统的状态参量的集合就是病害存在状态S。e(i)TS=(s,L,s,L,s)e(i)1in{iii}s∈A=a,a,L,a（i=,2,1L,n)ii12rt时刻病害在链源作用下结构状态参量发生变化，发生变化的状态参量集合即为状态变量C（响应状态）：(m)C=V(S,R,S)(m)me(i)式中，s,A分别表示任意子系统的状态参量集合及状态参量空间；S表示病ii害所处环境的状态参数集合；V是链源与病害链的作用关系。病害链与外环境的m作用关系W也是存在状态S和环境与病害链的作用关系V的函数，即：te(i)mW=F(F,S)tHe(i)26 2冻土区公路路基病害的链式规律及断链防治机制研究病害环境E和病害链系统D在T时刻的各个子系统之间并没有一一对应(D)(n)[55]的关系，但是至少有一个子系统e(j)与E存在如图2.8的链式关系。(D)Rt)(R(lji−1),j)1(E(D)Sj)1(Sjj)(Sj(li−1)Sjli)(=Sje(j1())e((jj))e((lji−1))e((lji))=e(j)图2.8病害环境E和子系统e(j)间的链式关系示意图(D)Fig.2.8ChainedrelationshipbetweenEande(j)(D)2.2冻土区公路路基病害链的断链防治机制分析2.2.1公路路基病害链的断链防治机理路基的两类病害链形成病害的本质是路基结构内部稳定平衡遭到破坏后几何形状的改变，亦即多种病害相互关联、渗透、耦合，主要由工程地质与地形、水文与气候、设计和施工等各方面内外病源交织而成。①病害链形成与发展的特征1）路基病害链有着明显的阶段性在路基病害链的形成初期，物质、能量和信息的聚集处于初始阶段，病害的破坏作用尚未形成，此时切断病害链，防治效果最明显。如在设计阶段做好地质勘查、设置纵横向台阶、加强排水设计和特殊不良地质路段的特殊设计；在施工阶段选择性能良好的路基填料，确保填筑、压实质量，注意施工过程中的排水和雨季施工措施，从而在病害链的源头上消除了隐患。在病害链形成的中期（公路的正常使用阶段），破坏力初步形成，填料聚集了大量能量（如土体固结），在外界诱发条件（如水）的影响下，病害（如沉降）立即发生。此时，病害的防治主要是通过加强养护措施，如增设排水设施、封堵路面裂缝等方法减缓病害的发展速度。一旦进入病害晚期，用以切断路基病害链内部环节的措施已经不再发挥作用，这也从链式规律的角度印证了路基自身病害的可防不可治。此刻的病害防治，必须采取必要的支挡防护治理措施以切断路基病害系统与其他病害系统之间的链接。由此可见，构建断链模式与机制，是路基病害防治，甚至是各种公路病害防治都行之有效的原则。2）路基病害链有着明显的传递性公路路基病害链式形态表征为链源之间的和病害之间的作用关系结构，表现为某一病害的多种形态的存在性和病因之间或不同病害之间的作用关系的复杂27 重庆大学博士学位论文性。一般公路路基病害链的主要载体是材料，病害链形成过程是材料的单体演绎或多体态聚集、耦合与叠加。但究其根本，导致“病害链”中材料变化的原因实质上是物质和能量的传递。物质和能量（荷载等）通过的聚集、传输与转换构成了病害之间和内部作用结构的耦合与嵌套关系。在病害形成过程中，表现出不同破坏作用，同时也为破坏力的度量提供了基础条件。一般公路路基病害链中传递的物质主要是水，传递的能量主要是机械能，即链源中的荷载。识别了路基病害链的这一传递特征，在病害产生之前、初期、中期和晚期，采取有效的措施切断“病害链”中物质和能量的传递，即为断链防治。②路基病害断链防治的途径与机制1）源头断链在病害形成之前或者初期，破坏作用微弱或尚未形成，物质、能量和信息等载体也处于聚集或耦合阶段。对于漫长的病害过程，在初期采取有效技术手段实施断链防治，是遏制病害发展的最佳途径。此时断链，必须识别病害链形成初期的表现形态，探明不同病害的链源，找准主要病源。例如截水沟、边沟，路面横坡等各种排水设施，都是将可能导致病害产生和发展的水封堵于路基结构之外。2）过程断链在病害产生的中期和晚期，病源已经进入路基，破坏作用逐渐增强，物质、能量和信息等载体也已聚集或耦合成型，量变发展到较大程度。此时断链，首先可以采取两种措施切断传递路径，一是在病害链中去除链环形成断链，二是在病害链中增加无法传递病源的新链环同样形成断链。其次，在不增减病害链现有链环的情况下，通过改变链环性质，隔断链源传递路径或消弱链源强度。③路基病害断链防治的技术措施依据公路病害链特征以及断链防治病害的途径与机制，在工程项目实施过程中，采用切断物质、能量在病害链中传递的措施都能够有效地防治病害的产生和发展。这样的措施主要有阻止类、隔断类和消弱类三种。目前采用的各种排水设施，如截水沟、边沟，路面横坡等措施，将可能导致病害产生和发展的水封堵于路基结构之外，属于阻止类；各种支挡防护结构，将边坡病害的发展路径切断，属于隔断类；柔性路面、半刚性基层、碎石过渡层等措施能有效的将车辆荷载能量消弱转移，可视为消弱类。综上所述，公路路基病害具有明显的链式效应特征，当前对于路基病害的分类、病因的分析和病害防治措施的选用机理完全可以用“路基病害链式效应”进行研究。本文主要对高原冻土区公路，探究病害链的链源，确定病害链传递的路径，进而采用针对性的断链防治措施，通过理论分析和现场试验进一步探讨其防治机理和研究方法。28 2冻土区公路路基病害的链式规律及断链防治机制研究2.2.2冻土区公路路基病害链的断链防治机制①冻土区公路路基病害链的演化特性冻土区公路路基病害的三种主要形式是融沉、冻胀和含冰边坡失稳，在形成中都有一个演化的过程，在演化过程中表现出周期性（图2.9）、链发性（图2.10）、[55.57]季节性和区域性。S(n)G图2.9病害周期性Fig.2.9PeriodicalcyclesofroadbedproblemsR2,1R3,2Rn−,1nSG1(n)SG2(n)SGn(n)图2.10病害链发性Fig.2.10Chainedoccurrenceofdisasters②冻土区公路路基病害断链防治机制按照冻土区公路路基病害链的结构关系和演化特性，根据断链防治的途径和机制，冻土区公路路基病害链的断链防治，可以从六个方面进行考虑：1）外环境E病害的防治(D)外环境自身的病害通过病害链作用会传递至路基病害链当中，直接导致同类病害在路基中的产生和发展。对于路基病害链而言，防治外环境E病害属于源头(D)断链。2）改变链源F(t)在路基本体中加保护装置，采取措施尽力消弱或消除通过外环境E进入路基(D)病害链的链源F的影响。(t)3）改变病害系统与E的作用关系V(D)m隔断或者去除病害链中的链环，比如裂缝的填补，可以防止该种病害的继续发展和另一种病害的产生。4）改变病害内部响应状态C(m)29 重庆大学博士学位论文采用其它材料加入或者替代部分路基病害链载体，使其响应状态发生改变，弱化量变。5）改变病害链的传递途径R(t)在病害链中加入新的链环或去除某一链环，隔断链源传递的途径；将进入病害链中的链源，在某链环上加入新的途径将其引出病害链。例如路面下的排水设施。6）治理病害链中的D(n)在病害链系统结构中通过技术措施治理已经发生的一种或几种病害，防治病害的转化。③冻土区公路路基病害断链防治的主要技术措施分类研究表明，冻土区公路路基病害的防治措施和一般公路一样，也可以分为阻止类、隔断类和消弱类三种。但除了防止水和机械能（车辆荷载）传递破坏的措施外，冻土区公路路基病害断链防治中更需要重点考虑的还是如何有效控制辐射能和热能传递的措施，也就是有效的控制温度场的变化。本文也以此为主要研究对象，其他链源可以通过叠加或耦合进行分析。目前，以控制辐射能和热能传递为目的冻土区公路病害的防治措施主要分为被动和主动两类：1）被动工程措施：a.调节路基表面热辐射条件：路基表面或边坡面涂刷反射油漆，或铺设白色的碎石等；修筑遮阳避雨棚；冬季清除路基表面及两侧的积雪，以路基土体与大气间保持辐射条件。b.改善路基土体与大气及原冻土热传导状况：路基中设置聚苯乙烯保温层、泡沫板等保温材料保温隔热层。c.抬高路基高度。2）主动地温调控措施（调控传导和调控对流）包括通风路基、碎（片）石路基、硅藻土路基、块石护坡路基、遮阳板路基及热棒路基等。目前的分类方式主要是针对温度的改变机理来制定的，没有综合考虑病害链链源F的叠加、耦合以及病害系统与E的作用关系等链式特征。根据本文对冻(t)(D)土区路基病害断链防治机制的分析结果，将冻土区公路路基病害的防治技术措施分为阻止类、隔断类、消弱类和复合类四种型式。a.阻止类断链防治技术设置在公路结构本体外，阻止太阳辐射能，路基表面热能等链源F进入路基(t)的技术措施。a)遮阳板路基30 2冻土区公路路基病害的链式规律及断链防治机制研究放置于路基本体外的阳面，遮挡部分路基体，阻止太阳辐射能进入路基，平衡路基阴阳面的吸热，稳定融化盘，防止路基纵向裂缝等病害发生。b)调节路基表面热辐射条件。在路基表面或边坡面涂刷反射油漆，或铺设白色的碎石等；修筑遮阳避雨棚，阻止太阳辐射能进入路基。b.隔断类断链防治技术设置在公路结构本体内，切断热能进入冻土层的途径R。此类设施同时也改(t)变了病害内部响应状态C。(m)a)保温层路基在路基的顶部或四周设置隔热层，增大热阻，切断大气和人为热源进入到冻土层内的路径，使路基避免受热侵蚀作用，保护冻土不致上限下降，增加路基稳定性。b)堆石体路基在路基垫层之上设置一定厚度和空隙度的（块）片石层，利用堆砌体冬季储存一定蓄冷，夏季则起到隔热作用。根据片石层上下界面间存在温度梯度，引起片石层内空气的对流，而热交换作用又以对流为主导，再利用青藏高原多年冻路基土区负积温量值大于正积温量值的气候特点，从而加快路基基底地层的散热降低地温、主动保护冻土的预期效果。c）架空通风基础主要用于多年冻土区，特别是多冰，富冰地区，将建筑物架空，利用严寒冬季的自然或强迫通风，保持地基土处于冻结状态，特别适用于热源较大的建筑。公路上的架空通风措施一般用旱桥。c.消弱类断链防治技术设置在公路结构本体表面或内部，通过各种形式的气体、液体流动，减弱链源F（热能）或改变链源F（热能）传递途径R，将病害链中的病源导出系统(t)(t)(t)结构，降低温度。a)通风管路基用金属波纹管等管材埋设于路基内，以通风有效降低路基土体温度。b)碎石护坡路基在多年冻土区路基填土的两侧边坡，铺设一定粒径的碎石，冬季通过碎石间冷空气将孔隙中密度较小的热空气向上挤出，夏季靠下层冷空气导热的系数很小特点，使碎石护坡地温下降，通过碎石层的导热特性达到保护下伏多年冻土、确保路基热稳定性的目的。c)热棒路基31 重庆大学博士学位论文热棒是由密闭真空管体注入低沸点工质构成的一种液汽两相转换的热传输装置，具有单向传热的特点。当外界（冷凝段）的温度低于地基土（蒸发段）的温度时，热棒开始工作，蒸发段液体工质吸收汽化潜热，蒸发成气体，在压差的作用下，蒸汽沿管内空腔上升至冷凝段，与相对较冷的管壁接触，放出汽化潜热冷凝成液体，整个过程中将地基冻土中的热量传输到外界，随之在重力作用下液体[58]工质沿管壁流回蒸发段再吸收蒸发，反之则停止工作。整个过程是一种主动冷却高原多年冻土的保护措施。d)硅藻土护坡路基在路基两侧阴阳坡铺设一定厚度的硅藻土，利用硅藻土孔隙度高、密度小、比表面积大、化学性质稳定、强度较高的特点，调节公路边坡地气间的热交换从而使得路基进行散热。e)热桩（基础）当冷凝器的温度低于蒸发器时，形成温差，蒸发器内的液体吸收热量而蒸发，在压差作用下，蒸汽上升至冷凝器端，放出汽化潜热，通过散热片放出，蒸汽工质也随之冷却凝结成液体，在重力作用下，液珠沿管壁回流至蒸发器，如此反复循环，在桩周围形成新的温度场，将地基中的热量不断散发出去而是土体冷却。当冷凝器的温度高于蒸发器的温度时，对流就停止，热桩也停止工作。此类热桩[59]的有效导热系数是流体对流方式的50倍。f)碎石基底路基太阳的辐射热通过路堤表面（坡面）以导热的方式将热量往路堤中和基底传递，使路堤中碎石孔隙的空气加热，因热空气的密度小而沿孔隙上升，其热流方向与传热方向相反，在夜间这种逆向传热就更加活跃，碎石孔隙的存在就引起热屏蔽作用，相应的减少了传入路基基底的热量，使碎石中仍能维持较低的温度。在寒季，由于碎石的当量导热系数是暖季当量导热系数的5～10倍，甚至更多，因次，密度大的冷空气，不但冷却路堤表面（坡面），还可沿孔隙下渗，通过对流换热不断的置换孔隙中的热空气，此时的导热换热和对流换热的热流方向一致，使较多的冷量传入地基中，加速路堤和基底热量的散逸，增大基底的冷储量。碎石路基的综合效果达到冷量输入大于热量输入。说明碎石路堤在气温波动条件下具有二极管效应，即自然对流降温效应。d.复合类单一工程措施在具体使用时，大多数都有较强的时效性，或主要暖季工作，或在冷季能发挥积极作用。在富冰、饱冰多年冻土区路段，含土冰层与厚层地下冰路段，路基以填土路基为主，路基理论设计高度不经济或单凭某一种工程措施不能处理路基病害时，可按照不同措施的优缺点采用组合式路基进行综合处理。32 2冻土区公路路基病害的链式规律及断链防治机制研究[60]如通风管–块石复合路基等。2.3本章小结通过分析公路病害的“链式特征”，提出“公路病害链”概念。研究了冻土区公路路基病害链的链式形态、结构及机理和“断链防治”的途径与机制，并对现有冻土区公路的路基病害防治措施按照“断链防治”机制进行研究，取得的结论如下：①公路病害中病因影响作用的发挥和病害的演化过程都具有传递性、转化型、叠加性、耦合性、阶段性、趋极性等链式特征；将病源导致的公路病害，抽象为具有载体共性反应特征以描绘单一或多种病害的形成、渗透、干涉、转化、分解、合成、耦合等相关的物化流信息过程，直到造成破坏和损失等各种链锁关系可称之为“公路病害链”。②公路路基本体层状结构的病害链符合“蔓延侵蚀链”形态特征，路基边坡病害链符合“崩裂滑移链”形态特征；二者可以视为相互独立且为对方的外环境而相互影响。水和荷载是一般公路路基病害链中传递的主要链源，在病害产生之前、初期采取阻止或消弱链源进入路基技术措施实施“源头断链”，在病害产生的中期和晚期，采取切断链源传递路径、去除链环或在病害链中增加无法传递病源的新链环等技术措施实施“过程断链”是路基病害断链防治的有效途径。③冻土区公路路基病害链的链源包括水、机械能（车辆荷载），辐射能（主要是外因中的太阳光辐射）和热能（气候变化导致的热量聚集）。水、辐射能和热能是导致冻土区公路路基病害的重要链源且具有明显的地域特征和周期性。受此影响，冻土区公路路基病害链除了符合“蔓延侵蚀链”和“崩裂滑移链”形态特征外，还符合“周期循环链”的形态特征。④冻土区公路路基病害链的断链防治包括改变链源、外环境、改变病害系统与的作用关系、改变病害内部响应状态、改变病害链的传递途径和治理病害链中的六种机制。⑤冻土区公路路基病害断链防治措施分为阻止类、隔断类、消弱类和复合式四种类型。1）阻止类：设置在公路结构本体外，阻止太阳辐射能，路基表面热能等链源E进入路基的技术措施。包括遮阳板路基和在路基表面或边坡面涂刷反射油漆，(D)或铺设白色的碎石等，修筑遮阳避雨棚等调节路基表面热辐射条件的技术措施。2）隔断类：设置在公路结构本体内，切断热能进入冻土层的途径。包括保温层路基和堆石体路基。3）消弱类：设置在公路结构本体表面或内部，通过各种形式的气体、液体流33 重庆大学博士学位论文动，减弱链源（热能）或改变链源（热能）传递途径，将病害链中的病源导出系统结构，降低温度。有通风管路基、碎石护坡路基、热棒路基、硅藻土护坡路基、热桩（基础）、架空通风基础（旱桥、房屋）、碎石基底路基。4）复合类：按照不同措施的优缺点采用组合式路基进行综合处理。综上所述，对冻土区公路路基病害链链源准确监测与预判是冻土区公路路基病害断链防治的前提，建立合理的空气流动、水分迁移、渗流场、温度场以及变形等因素之间的链式耦合模型，研究链源在路基病害链外环境和链内传递、叠加或耦合的规律，是冻土区公路路基病害断链防治的重要理论依据。把握断链防治机制，研究不同类型典型断链防治技术措施的作用机理，是冻土区公路路基病害断链防治的重要课题。34 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测冻土区公路路基病害链的链源主要是热能、水和荷载，路基本体病害链的外环境主要包括路面、边坡和地基，边坡病害链的外环境包括气候环境、路基本体和地基。外环境对路基病害链的影响很难通过改变外环境本身来控制。热能、水和荷载在外环境中传递、转化，通过外环境后开始对路基病害链产生影响。因此，在冻土区公路路基病害链中实施有效断链防治的前提条件，首先是准确把握冻土区在特殊气候环境下的路基病害链链源的特征与影响，其次是合理确定病害链链源的传递路径和方式，第三是准确预测在外环境中病害链链源周期性变化的趋势。目前，从冻土区公路病害的影响因素这一角度，宏观上对青藏高原气候环境的变化，微观上对公路冻胀体中水、荷载、热能的影响作用开展了大量研究，取得了丰硕的成果。本章仅依据“病害链”规律进行各主要链源影响特征的梳理，对于冻土区路基边坡病害链及其链源的影响特征的研究见第六章。本章则利用青藏公路病害现状的调研成果对路基本体病害链的重要外环境——沥青面层的温度变化特征进行研究，通过实测数据的统计分析，建立BP神经网络预测模型和时间序列分析模型（ARMA），以丰富沥青面层温度的预测方法，为工程提供温度短期预报，同时，可以为研究路基断链防治技术作用机理而建立的计算模型确定边界条件提供参考。3.1冻土区公路路基病害链链源的影响分析3.1.1冻土区公路的路基病害类型及特征[61]青藏公路2009年对部分路段路基病害调查的结果如表3.1。表3.12009年青藏公路路基病害调查统计Table3.1StatisticsofembankmenthazardsoftheQinghai-TibetHighwayin2009病害类型统计属性病害量病害总量病害率（%）波浪形起伏长度（km）11711718.84轻度面积（㎡）37402中度面积（㎡）313298196618.86沉陷重度面积（㎡）13235最大沉陷量深度（m）0.6纵向裂缝轻度长度（k/m）9.8109.317.635 重庆大学博士学位论文病害类型统计属性病害量病害总量病害率（%）中度长度（k/m）47.1重度长度（k/m）52.4最大缝宽宽度（mm）500轻度长度（k/m）18.8横向裂缝中度长度（k/m）9.935.24重度长度（k/m）6.5轻度面积（㎡）0翻浆中度面积（㎡）0100500.23重度面积（㎡）10050青康公路黄河沿—清水河段（180Km）多年冻土发育区公路病害调查，统计[62]其中沥青路面段（106.24Km）的路基病害结果如表3.2。表3.2青康公路路基病害调查统计Table3.2StatisticsofembankmenthazardsoftheQinghai-KangdingHighway病害类型严重程度统计属性病害量主要病因病害率（%）地质软弱，地波浪形起伏一般长度（km）32.0430.15下水埋深浅沉陷较严重长度（km）19.24冻土融沉18.11路面低温缩网裂严重长度（k/m）82.177.28裂，水破坏路面低温缩横向裂缝一般长度（k/m）84.0裂，水破坏，79.01不均匀沉降注：病害量为发生病害的路段长度和。病害率为发生病害的路段长度和占路段总长度的百分比。统计分析发现：冻土区路基的沉陷病害主要由地基融沉造成，而开裂病害（网裂、纵横向开裂）则主要是沥青路面开裂病害的向下传递引起。地基融沉沥青路面开裂的病因是温度和水。研究表明，病害率与冻土的年平均地温和含冰量之间[63]具有较大的关联。随着多年冻土年平均地温的升高，冻土路基病害率增加。-1.5℃[64]是决定病害率增减的年平均温度的界限值。随着含冰量的增加，路基病害逐渐严重，而多年冻土区融区和少冰冻土区的路基病害率则明显较低。由此可见，温36 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测度（热能）的升降和含水量的增减是冻土区公路路基病害的主要病因。依据公路病害链的结构组成，路基、路面、边坡结构都具用双重身份，一是单一独立的病害链D，二是相邻病害链的外环境E，各自的链式关系和演化特(n)(D)性均符合图2.8、图2.9及图2.10所示链式规律。研究病害产生与防治的机理，首先应分析主要病因在病害链中的作用。3.1.2热能对冻土区公路路基病害链外环境的影响①热能对沥青路面的影响冻土区公路沥青路面病害主要表现为纵缝、横缝、网裂、龟裂，局部路段存在坑槽、松散、泛油等。青藏公路和青康公路的调查研究表明，青藏高原特殊的气候环境导致沥青路面的周期性温度变化而反复冻融是路面病害的主要病因。青藏高原气候的基本特点是气温低、空气稀薄、大气干洁、太阳辐射异常强烈。公路沿线多年冻土区年平均最低气温为-14.5～-17.4℃、最高温度为6.8～8.1℃，年平均温度较差值为23～26℃，年平均气温为-4.0～-6.9℃。在海拔高、太阳辐射强烈的青藏高原，沥青老化速度极快。根据对沥青材料进行的老化试验结果显示，针入度、延度五年即下降了55%以上，组分试验沥青质增高了近38%。在冻融剧烈的10月至翌年5月，路面每天都要冻融循环多次，即便在6～9月的暖季也存在冻融循环的现象，加上高原天气多变，5～10月几乎每天都有降水，且夜间有[65]负温出现，导致沥青路面冻融病害和水损害较为严重。监测发现，青藏公路原砂砾路面改为沥青路面后，公路沿线多年冻土区的冻土环境发生了巨大的变化。夏季沥青路面表面的温度高达50～60℃，较天然地面温度高出5～6倍。当路基高度小于某一临界高度时，由于沥青路面的地表反射率较砂砾天然地面减少15%～20%，对太阳辐射吸收率增加了20%，同时沥青路面阻碍了路基水热的蒸发，产生的蒸发潜热不能通过沥青路面表面散出，从而改变了冻土与大气之间的热量交换，导致路基下冻土的正积温增加，冻土融化形成路[66]基下冻土的人为上限。路基两侧冻土的天然上限近于不变化，而人为上限则因各种因素逐渐增深，使沥青路面下的季节融化层较天然条件提早20～30天融化，滞后20天冻结。②热能对地基的影响路基地基土体中融化盘、融化夹层的出现和存在是冻土区路基病害的主要原[67]因。近年来，青藏高原冻土区公路路基下冻土退化过程明显高于天然状态，温度升高对多年冻土路基基底的融化速度影响显著。以青康公路为例，公路沿线多年冻土的显著特点是高温多年冻土占绝大多数，其沿线多年冻土年平均地温除鄂拉山和巴颜喀拉山山顶两侧地温在－1.0°C～－2.0°C之间，属低温冻土（鄂拉山K308+950~K314+900、巴颜喀拉山K591+600~K609+500），其它大部分地段多年37 重庆大学博士学位论文冻土年平均地温均在0.0°C至－1.0°C之间，均属高温冻土，由于青康公路沿线多年冻土地温普遍较高，且冻土厚度普遍较小，大部分都在50m以内，多年冻土地温越高，抵抗自然和人为干扰的能力越弱，修建公路后更有利于发生融化。在此作用下，融化盘的出现频率增多、存在时间增长，使融化盘内部每年积累更多的能量，造成土体夏季融化但冬季不能被冻结，出现了融化不冻（融化夹层、不衔接层）。融化夹层含水量大，土的固结程度小，模量小，对冻土区公路的路基稳定性的影响很大。③热能对路基边坡的影响路基边坡和路基本体互为对方的外环境。相对而言，边坡直接面对气候环境，链源的作用更为明显。但冻土区路基高度较低，多数在4m以下，所以水、热能对边坡病害链的影响首先是改变了边坡含冰土体的物理、力学性质而造成边坡失稳。其次，冻土区公路路基较低路段（≤1.5m），阴阳面对冻土路基的影响不十分明显。路基底部融化盘最大深度在路基中心，而且融化盘形态在横方向上基本对称于路基中心。在加高路基以后，阴阳面的差别就表现的十分明显。在路基边坡的阳坡，冻土的融化盘较路基中心要深，即路基底部融化盘形态相应的进行调整和改变，向阳面的公路左侧偏移。高路堤填筑后由于左右路肩、边坡的太阳辐射、地表湍流等地表与大气之间的热交换条件的不同，使路基中的地温分布状态在左右路肩下有较大的差异，左路肩明显的高于右路肩。左右路肩地温年平均相对差值在2℃左右。差值的大小，[68]主要受公路走向和路基高低的控制。左右路肩温度场的不对称，引起了路基底部最大融深位置向公路左侧偏移，偏移量的大小在相同走向下，主要受路基高低的控制。一般而言，路基越高，偏移量就越大，所以早期的青藏公路，发生路基热融沉陷，沉陷量路中最大，路基竣工以后，路拱逐年减小，甚至发展成为反路拱。路基加高以后，在左侧出现边坡滑溜，路基（路肩）左侧下沉的现象，使公路左侧产生了新的热融病害问题。3.1.3水对冻土区公路路基病害链外环境的影响①水对沥青路面的影响在每年降水期到来之前，路面出现的局部坑槽未及时修补，形成积水凼。路肩土在频繁冻融下密度减小，路肩升高，路面形成积水槽；边沟、排水沟雨季前未作清理，雨、雪漫上公路，使路面较长期地浸水。路面出现病害后养护管理工作不及时，加剧了路面破坏。②水对地基的影响路基地基中的融化盘是冻土区温度变化作用的产物，但发生变形破坏却是由于水—温共同作用导致。融化盘的出现和存在，不仅促进了路基下融化盘内水的38 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测自然汇集和蓄水，使融化盘上下的土体含水量或含冰量增大，而且使人为上限由初始的浅盘逐渐变成深盘状。融化夹层更是由于水的存在才产生的。融化夹层中含水量较大，在荷载和热[65]能作用下水分移动或迁移，导致冻土地基产生较大下沉变形。③水对路基边坡的影响冻土区公路路基边坡土体中水的冻融作用影响着路基边坡的稳定性。特别是粘土边坡过高的含水量引起土体物理、力学性质发生较大改变，边坡力学平衡条件因此变差，可能发生失稳病害。具体分析见本文第六章。④水对路基本体的影响冻土区公路建设，采用大面积铲除和破坏地表植被方法，破坏了公路两侧脆弱的冻土环境，改变了地表状态和土体内部的冰—水平衡状态，导致冻土中的地下冰融化，产生了人为干扰的热融湖塘和洼地，引起地表积水和季节融化层中含水量增加。热融洼地积水长期暴露在大气中，水温较高，水分的入渗，促使多年冻土上限处地下冰继续融化，地面下沉而逐渐形成热融湖塘，且逐渐向靠近路基方向发展。冻土区公路沿线的水分变化对公路的路基稳定性和冻土的稳定性有较大的影响。在大多数破坏较为严重的路段，路基内水分含量较高，融化盘内水分场发生变化使地基（路基）产生较大的融沉变形，甚至在有些未整治路段能够形成反拱变形。路基填料选择不当，填料含水量过大，加之雨期施工临时排水设施不全，造成路基内部水份聚积，局部路段地下水位高，沥青路面修筑后，极易出现翻浆病害。3.1.4链源对冻土区公路路基病害链外环境的影响特征多种链源在路基病害链的外环境中各自产生影响，在通过外环境传递的过程中，各种链源之间也存在着相互作用，包括叠加、耦合。链源作用的种类、方式和强度的不同，对病害载体（物质、能量等）的影响程度、变化速率、影响强度和演变时间都不相同，从而对病害的影响效果产生显著差异。其影响状态特征如[55]图3.1。39 重庆大学博士学位论文图3.1链源影响状态特征图Fig.3.1Featuresofconditionsaffectedbyexternalcauses链源影响的主要特征如下：1）水、热能和荷载等链源是冻土区公路路基病害链的主动影响，处于主要地位，且是病害最危险的诱发因素。2）同一种链源在不同的时间和空间，作用效果并不相同。3）冻土区公路路基病害链的主要链源—热能、水呈现间断性、周期重复性和突发性等特征，而病害的载体延续性主要通过荷载的影响来实现。综上所述，在结构满足受力条件的前提下，热能和水是冻土区公路路基病害链的关键链源，在排水技术满足要求的前提下，进入路基病害链的热能大小，决定了冻土区路基病害链的状态。所以，严格按照技术标准和施工规范建成的冻土区公路路基工程本身既满足行车设计荷载的要求，又满足排水防水的要求，不具有病害隐患。在此假定此理想状况的基础上，防止冻土区公路路基使用过程中出现病害的主要方法是避免最不利情况下热能（温度）对其产生不利的影响，因此，对温度变化准确的预判，是有效进行断链防治的前提条件。3.2沥青面层温度的预测沥青混合料的感温性决定了沥青面层破坏的产生和发展与温度特征（代表温40 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测[69]度、年频率分布特征）密切相关。青藏高原地区沥青路表温度的年分布呈现低[70-71]温峰的分布密度明显低于高温峰的分布密度的形态。但由于受外界因素影响较大，不同公路或不同路段，同一公路在不同时间的沥青面层温度特征仍然存在着较大的差异。对于公路病害的治理而言，需要按照最不利温度状况为目标，研究路面温度的月变化规律或日变化规律甚至小时变化特征，作为病害分析的初始条件。3.2.1沥青路面温度的变化特征温度是热能的量度，温度变化是热能传递的表征，温度变化特征是预测热能影响的依据。与路面温度相比，气温的监测历史更悠久、数据更丰富，采用从国家气象局申请的五十年的温度数据，图3.2为青藏公路经过的五道梁地区1991年至2000年十年间月平均气温，呈正弦分布。图3.2五道梁月平均气温Fig.3.2MonthlymeantemperatureinTownWudaoliang实测数据显示，受净辐射量、植被覆盖、覆雪以及路面热学属性等因素的影响，路面温度与气温存在温差，两者也不呈线性关系，一般情况下受地热的影响路面温度总是高于气温。1926年美国在Arlington对自然通风状态下的沥青路面温度进行了实测。[72]Barber于1957年系统地建立了路面温度场理论，根据该理论考虑风速、降雨量、[73]气温以及太阳辐射等因素，可以较精确地计算出路面温度。韩子东等人对夏季高温沥青路面温度进行了实测。图3.3及图3.4是2010年7月路面及其以下0.5m深度处温度，可以据此分析沥青路面日温度变化特征。41 重庆大学博士学位论文图3.3沥青路面温度Fig.3.3Temperaturesofasphaltroadsurface图3.4沥青路面以下0.5m处温度Fig.3.4Temperatures0.5mbeneathasphaltroadsurface由于受读数精度和气温突变等因素影响，原始数据存在噪音需进行过滤处理。对其进行FFT（快速傅里叶变换）滤波，可以看出过滤后气温呈正弦变化的特征较明显。为证明过滤并未改变气温的变化趋势，对数据进行相关性分析。随机变量x1和x2的期望E(x1)、E(x2)及方差D(x1)、D(x2)都存在，则x1和x2的相关系数ρ可按式(3.1)计算。计算得到过滤后与原始数据的相关系数为ρ0.990，说明两者高度相关，表明以月平均气温表示时年气温可以认为呈正弦函数变化。E(xE(x)(xEx))1122ρ(xx)=（3.1）12DxDx12经分析可以看出沥青路面温度具有以下特征：42 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测1）与路面以下0.5m处温度相比，沥青路面温度变化剧烈，路面以下0.5m处大部分日温差幅度在2℃以内，而沥青路面日温差在20℃左右。2）与路面以下0.5m处相比，沥青路面最高、最低温度出现时刻的规律性更明显。路面以下0.5m处最高、最低温度出现时刻各自落在长度为3小时的区间内的概率约为60%，而对于沥青表面温度相应的概率大于80%。3）沥青路面温度在日最高温度出现时刻的前后各两个小时内急剧地升高、降低，升降幅度在5℃~10℃左右。4）24小时内沥青路面温度可以分为升温和降温两个阶段，其中升温阶段一般发生在6时至17时，降温阶段一般发生在18时至第二天的5时。5）虽然在沥青路面日最高温度出现时刻附近原始数据与正弦函数差异较大，但是其它时刻过滤后数据呈现正弦函数特征，因此理论分析可认为其日温度按正弦函数变化。3.2.2沥青路面温度的BP神经网络预测模型利用沥青路面温度特征建立其预测模型，可以为路基病害链的热源传递及影响进行预测。国内外沥青路面温度场的预估模型主要有两大类，一类是以吴赣昌[74-77]的采用解析理论建立的半刚性基层沥青路面二维非线性不稳定温度场的计算理论为典型代表的理论分析法，另一类是采用回归分析方法建立路面温度场与环[78-81][82]境因素之间定量关系的统计分析法。孙立军认为第二类方法应该是主流，并在此基础上就地区差异性引入地区修正系数得到了预估模型。用上海、乌鲁木齐和唐山的2万多组实测温度进行回归分析，建立的模型用于青海西宁，用实测数据和预测值进行相关分析，相关系数为0.933。本文研究发现，由于公路的自然环境极为复杂，现有各类模型在应用时均表现出较明显的局限性。所以，根据研究对象的实测数据特征，选用计算简单迅速、误差小的统计分析方法仍是实际工程的首选。沥青路面温度数据离散性强，提供拟合函数的表达式很困难，与一般的拟合[83]不同，BP神经网络模型不需要提供原始数据的拟合函数。BP算法因其简单、易行、计算量小、并行性强等优点，目前是神经网络训练采用最多也是最成熟的[84-87]训练算法之一。其算法的实质是求解误差函数的最小值问题。为了减小误差，采用附加动量法进行网络权值的修正；为了提高BP神经网络的学习效率，缩短训练时间，采用动量-自适应学习速率调整算法；为了保证系统稳定，但又不过多影响训练时间，将学习速率选取范围确定在0.01~0.8之间。在建立沥青路面温度实测数据的BP神经网络模型之前，先对其理想化模型即沥青路面温度按正弦函数变化建立BP神经网络模型，以检验模型的预测效果。43 重庆大学博士学位论文①理想沥青路面温度的BP神经网络模型根据沥青路面温度特征，可以假定沥青路面温度按正弦函数变化，如图3.5所示，函数周期为24小时，共10个周期。以每个周期的前12个数据作为输入，后12个数据作为输出。隐含层数目少则计算精度差，多则计算时间长，并且层数过多可能造成过拟合的现象，即对训练的数据具有很好拟合效果，但对其它数据的拟合效果差。经过多次建模对比分析，确定选用双隐含层，网络的结构为12-10-10-12，即12个输入、输出，两层层数为10的隐含层。学习速率取0.05。温度数据包含了10个周期，即共含有10个输入及相应的输出。为保证模型具有可靠的预测精度，须提供足够的训练数据。用随机函数随机地选取青藏公路实测数据当中9组作为训练数据，另外一组作为检验数据。训练过程如图3.6所示。经过200次迭代后，训练中止。从图3.7可以看出，控制迭代中止的三个参数均平稳变化没有超出限制，中止由迭代次数控制。从图3.8可以看出，训练中的相关系数为1，表明训练效果好。检验情况如图3.9所示，可以看出预测输出值与期望输出值重合，误差非常小。为检验BP模型的预测效果，将未来5天前12个小时的温度数据作为输入，期望输出与实际输出如图3.10所示，两者吻合程度很高，表明针对沥青路面温度的理想化模型建立的BP神经网络预测模型预测精度很高。图3.5沥青路面温度理想模型Fig.3.5Idealmodesforasphaltroad-surfacetemperatures44 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测图3.6沥青路面温度理想模型的BP模型训练过程Fig.3.6BPModeltrainingprocessofidealmodesforasphaltroad-surfacetemperaturesGradient=1.5995e-07,atepoch2001010010gradient-1010Mu=1e-11,atepoch200010-1010mu-2010ValidationChecks=0,atepoch20010.5valfail0020406080100120140160180200200Epochs图3.7沥青路面温度理想模型的BP模型训练中控制参数变化情况Fig.3.7ControlparametervariationinBPModeltrainingofidealmodesforasphaltroad-surfacetemperatures45 重庆大学博士学位论文图3.8训练过程的相关性分析Fig.3.8RelativityanalysisintrainingprocessBP网络预测输出6预测输出4期望输出2)℃(0函数输出-2-4-6024681012样本1）期望输出与实际输出1）Outputexpectationvs.physicaloutput-5BP网络预测误差x10-1.5-2)-2.5℃(误差-3-3.5-4024681012样本2）期望输出与实际输出的差值2）Differencebetweenoutputexpectationandphysicaloutput46 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测-5神经网络预测误差比x103210-1-2-30246810123）期望输出的误差比3）Ratioerrorofoutputexpectation图3.9沥青路面温度理想模型的检验Fig.3.9Testsforidealmodesforasphaltroad-surfacetemperatures图3.10沥青路面温度理想模型的预测Fig.3.10Predictionofidealmodesforasphaltroad-surfacetemperatures②实测沥青路面温度的BP神经网络模型由于沥青路面实测数据特征与理想化模型存在一定差异，为提高工程应用价值，有必要对实测数据建立BP神经网络模型。根据沥青路面温度特征，将上升阶段数据作为输入、下降段段数据作为输出，建立BP模型，模型结构仍然取12-10-10-12。输入、输出共29组，随机选取26组用作训练，余下的3组作为检验。训练过程如图3.11所示，可以看出总迭代次数为10。训练过程中控制参数变47 重庆大学博士学位论文化情况如图3.12所示，迭代超过4次后有一项控制参数持续增加并且超过6次，迭代过程中止。训练中相关系数如图3.13所示，与理想化模型相比相关系数较小。3组检验数据的期望输出与实际输出如表3.1所示，可以看出实际温度接近日最高温度时的预测误差较大，但大部分数据预测精度在5%左右，具有一定的工程应用价值。图3.11实测沥青路面温度的BP神经网络训练过程Fig.3.11Asphaltroad-surfacetemperaturesmeasuredinBPNeuralNetworktrainingprocessGradient=0.0044074,atepoch10510010gradient-510Mu=1e-05,atepoch10-210-410mu-610ValidationChecks=6,atepoch1064valfail2001234567891010Epochs图3.12实测沥青路面温度的BP模型训练中控制参数变化情况Fig.3.12ControlparametervariationinBPModeltrainingforasphaltroad-surfacetemperaturesmeasured48 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测图3.13实测沥青路面温度的BP模型训练过程相关性分析Fig.3.13RelativityanalysisintrainingprocessofBPModelforasphaltroad-surfacetemperaturesmeasured表3.3实测沥青路面温度的BP模型检验数据期望输出与实际输出Table3.3ExpectedandphysicaloutputsinBPModeltestsforasphaltroad-surfacetemperaturesmeasured实测值预测值误差比实测值预测值误差比实测值预测值误差比26.1322.98-0.1223.2527.610.1917.5616.47-0.0628.4426.17-0.0822.6330.930.3717.3122.580.3025.5624.09-0.0622.2532.310.4516.8121.740.2923.2524.420.0521.2526.380.2417.1924.670.4421.5621.09-0.0219.8819.42-0.0217.1919.120.1120.5620.27-0.0118.5619.260.0417.2517.370.0120.0018.89-0.0617.8117.42-0.0217.5016.26-0.0719.4419.21-0.0116.7519.390.1617.0617.720.0419.0018.36-0.0315.8816.930.0717.1316.47-0.0418.8118.42-0.0215.3817.510.1416.6316.700.0018.3818.640.0114.6914.730.0016.5016.35-0.0118.1918.07-0.0114.1313.25-0.0616.2514.83-0.0949 重庆大学博士学位论文3.2.3沥青路面温度的时间序列分析沥青混合料既是感温性材料，也是感时性材料。所以，沥青路面温度数据是随时间周期性变化的动态数据。动态数据是由某一现象或若干现象在不同时刻上的状态所形成的数据，它反映的是现象以及现象之间关系的发展变化规律。①时间序列分析模型的确定时间序列分析是研究动态数据的有效方法。时间序列分析不仅可以从数量上揭示某一现象的发展变化规律或从动态的角度刻画某一现象与其它现象之间的内在数量关系及其变化规律性，而且还可以预测现象的未来行为，为修改或控制系统提供有效手段。所谓时间序列就是将某一指标在不同时间上的不同数值按照时间的先后顺序进行排列而形成的数列。这种数列由于受到各种偶然因素的影响往往表现出某种[88]随机性，彼此之间存在着依赖关系。时间序列按照研究依据的不同可以进行分类，按照研究对象的数量，可以分为一元时间序列和多元时间序列；按照时间的连续性，可分为离散时间序列和连续时间序列；按照序列的统计特性，可分为平稳时间序列和非平稳序列；按序列的分布规律，可分为高斯型时间序列和非高斯型时间序列。时间序列具有如下特点：首先，序列中的数据或数据点的位置依赖于时间，即数据的取值依赖于时间的变化，但不一定是时间t的严格函数。其次，每一时刻上的取值或数据点的位置具有一定的随机性，不可能完全准确地用历史值预测。再次，前后时刻的数值或数据点的位置具有一定的相关性，这种相关性就是系统的动态规律性。最后，从整体上看，时间序列往往呈现某种趋势或出现周期性变化的现象。研究序列随时间发展的模式是时间序列分析的基本特征。时间序列分析与数[88]理统计学的区别主要体现在三个方面：首先，数理统计学的样本值是对同一随机变量进行n次独立重复试验的结果，或是n个相互独立、同分布的随机变量序列的一个实现；而时间序列则是某一随机过程的一次样本实现。其次，在数理统计中，进行统计推断的目的主要是对一个随机变量的分布参数进行估计或假设检验；而在时间序列分析中，则是对某一时间序列建立统计模型。最后，数理统计学中的回归模型描述的是因变量与其它自变量之间的静态依存关系；而时间序列分析中的自回归模型描述的是某一变量自身变化的统计规律性，是某一系统现在的行为与其历史行为之间的动态依存关系。按照采用手段的差异，时间序列分析方法可分为数据图法、指标法和模型法三大类。数据图法是将时间序列在平面坐标中绘制出坐标图，根据图形直观地判断序列的异常点、升降转折点以及序列的总趋势。这种方法的优点是简单直观容50 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测易操作，其缺点是获取的信息量少，分析结果受主观因素影响较大，做出有效分析需要丰富的分析经验。指标法是指通过计算一系列核心指标来反映系统的动态特征。指标法的优点是概念简单，但获取的信息量有限。模型法是对给定的时间序列，根据统计理论建立描述该序列的最优统计模型，并据此进行预测。时间序列分析的主要作用体现在：对理论性模型与数据进行适度检验，以讨论模型是否能正确地表示观测的对象；刻画系统所处的状态及其结构性，从而达到认识和解释系统的目的；预测系统的未来行为，从而达到利用规律的目的。时间序列看似杂乱无章、无规律可循。其实不然，大量事实表明，一个时间序列往往是长期趋势变动、季节变动、循环变动、不规则变动的叠加或耦合。如果在预测时间范围内，无突然变动且随机变动的方差较小，并且有理由认为过去和现在的历史演变趋势仍将发展到未来，这样的序列称为确定性时间序列。确定性时间序列可用一些经验方法如移动平均法、指数平滑法、时间回归法以及季节周期预测法进行预测。1927年数学家耶尔(Yule)提出建立自回归模型(AR模型)来预测市场变化的规律。在1931年，另一位数学家Walker在AR模型的启发下，建立了MA模型，初[89]步奠定了时间序列分析方法的基础，当时主要应用在经济分析和市场预测领域。近几年来，随着计算机技术和信号处理技术的迅速发展，一方面，时间序列分析的理论和方法更趋向完善，特别是在参数估计，模型识别以及与智能计算技术的融合等方面都取得了丰硕的研究成果。另一方面，时间序列分析的应用范围变得日益广泛，并且应用成果都处于一个较高的水平。二十世纪七十年代，美国统计学家G.E.P.BOX和英国统计学家G.M.Jenkins提出自回归移动平均模型（Auto-regressivemoving-averagemodel，简称ARMA模型，也称B-J方法）。它是一种精度较高的时序短期预测方法，其基本思想是：某些时间序列是依赖于时间t的一组随机变量，构成该时序的单个序列值虽然具有不确定性，但整个序列的变化却有一定的规律性，可以用相应的数学模型近似描述。通过对该数学模型的分析研究，能够更本质地认识时间序列的结构与特证，达到最小方差意义下的最优预测。B-J方法强调“让数据自己说话”，不需要事先假定数据存在着一定的结构或模式，而是从数据本身来寻找可以较好描述数据的模式，从而可以保证模型与数[90]据拟合较好。该模型在预测过程中既考虑了研究对象在时间序列上的依存性，又考虑了随机波动的干扰性。与平稳时间序列、周期时间序列模型相比，B-J的建模方法在数学上较为完善，预测的精度较高。[91]把具有如式(3.2)的模型称为自回归移动平均模型，简记ARMA（p,q）模型。51 重庆大学博士学位论文⎧xt=φ0+φ1xt−1+...+φpxt−p+εt−θ1εt−1−...−θqεt−q⎪⎪φp≠,0θq≠0⎨（3.2）2⎪E(εt)=,0Var(εt)=σε,E(εtεs)=,0s≠t⎪E(xε)=,0∀0)（4.13）xx=→0∞∂xTT==0,0tt=→0∞对方程和初值条件关于x取Fourier正弦变换。记任意函数G(x,t)的Fourier正−1[110]弦变换为FGxt((,))，其正弦逆变换为F((,))Gxt。则有：ss∞F((,))Txt=Txt(,)sin()ωtdxUx=(,)t（4.14）ss∫022∂∂TT∞2Ft()==sin()ωωωdxT−U（4.15）s∂∂xx22∫0x=0sFT[]=U（4.16）sstt=00=∂TdFU[]=（4.17）ss∂tdt通过Fourier正弦变换将原定解问题转化为求解含参数ω的常微分方程的初值问题。⎧d2⎪Ua=−[()ωϕtUω]ss⎨dt（4.18）⎪U=0⎩st=0其解为：22t22−ωωat2aUte(,)ω=aωϕξ()edξξ（4.19）s∫0对上式两端取Fourier正弦逆变换，并利用式2b∞−ax22π−2∫ebcos(x)dx=e4a（4.20）02a获得原定解问题的解为：61 重庆大学博士学位论文−1Txt(,))=FU[(,)]ωtss2∞=Utx(,)sin()ωωdω∫sπ022at∞−−at22ωξ()=∫∫[sωωexin()dω]ϕ(ξ)dξπ00221at−−−at22ωξ()∞=ϕξ()[exsin()ω（4.21）πξ∫02()at2−01∞22−−at()ξω+exxcos(ω)dωξ]d2()at2−ξ∫0x2xtϕξ()−24()at−ξ=edξ2aπ∫0()t−ξ3/2该单层半无限平板模型的求解反映了各参数对温度的影响，具有一定的理论意义，但由于模型尺寸为半无限长，其结果很难为数值解例如有限元、差分法提供检验依据。②单层平板Fourier变换及Laplace变换适用于求解区域为无限或半无限的偏微分方程，而分离变量法是求解有界问题的常见方法。与积分变换的求解思路一样，分离变量法的目的也是设法将偏微分方程转化为常微分方程。考虑热源项f(x)，假设初始时刻温度式空间的函数g(x)，而模型两个边界始终保持恒温，即：22∂∂TaT=+fx(),02∂∂tx（4.22）TA===,,(TBTgx)xt==00xl=方程及边界条件均是非齐次的，而且方程中的热源项f(x)与时间t无关只依赖于空间位置x。边界条件中的非齐次项是常数，因此可通过代换将方程和边界条件同时转化为齐次的，令：Txtvxt(,)=(,)+ω()x（4.23）其中：ω()x满足：2axfω′′()+=()0,x02∂∂tx（4.28）vv==0,vg=−()xxω()xt==00xl=求解得到：∞naπ2−()tnπvxt(,)=∑Celsin(x)（4.29）nn=1l其中：2lnπCg=−[()()]sin(xωxx)dx（4.30）n∫ll0一般的地质条件下不考虑热源项f(x)，若初始时刻温度为0℃即g(x)为0，分别记A、B为T1、T2，则式（4.21）的解为：∞()lx−−2−απnt222/lTnT21cos(π)−nlxπ()TxtT(,)=+12(TT−+1)∑e()sin()（4.31）lnπn=1l③双层平板双层介质导热微分方程的求解比单层介质复杂。其求解方法通常是先假定温度满足的方程，再利用初边值条件确定方程中的系数。不考虑热源项f(x)，并假定初始条件是各处温度为0℃。双层介质的模型如图4.1所示。ρ1cp1k1hHρ2cp2k2图4.1一维双层介质模型Fig.4.1Mono-dimensionaldouble-layeredmodel则该双层介质导热微分方程表达式为：2∂∂TTii=a（zz≤≤z，i=1，2）（4.32）i2i−1i∂∂tz初边值条件为：63 重庆大学博士学位论文T=01z=0TT=12zh==zh∂∂TT12kk=（4.33）12∂∂zzzh=zh=T=01zH=Tf=()zt=0令：k2cp2Hh−A=，B=，C=kch1p1可设解的形式为：∞Te=sin(λz)−βntB1∑nnhn=1（4.34）∞Hz−−βtTA=∑sin(μλ)enB2nnnn=1h1式中：sin(λ)nA=，μ、β、B为待求系数，nnnsin(μcλ)n可求解得：a1μ=（4.35）a22aλ1nβ=（4.36）n2h⎡⎤hHzH−z2(fzd)sin()λμz+Bf(z)Asin(λ)dz⎢⎥⎣⎦∫∫0nnhhhnB=（4.37）n2hB(1+CA)mλ由式（4.38）特征方程确定，即：nABtan(λμ)cot(⋅Cλ)=−1（4.38）nn4.1.4一维单层及双层平板导热微分方程解析解与差分解的对比分析①一维单层平板利用前节推导的解析解检验差分程序的计算精度。一维平板长度1m，初始温2度为0℃，t>0后，一端保持0℃，另一端始终保持100℃，导温系数a为1.0e-6m/s。差分方程中时间步长取120s，空间步长取0.01m和0.05m两种工况。将中间位置即距边界0.5m处节点温度解析解和差分解进行对比（表4.1、表4.2），表中解的单位为℃。从表4.1可以看出，空间步长取0.01m时的求解精度较高，最大误差低于0.0025℃，而空间步长取0.05m时最大误差接近0.1℃。从表4.2可以看出，尽管差分解在前5小时的求解中存在误差，但直至第55小时其误差依然较低，即误64 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测差不累积。按间距0.1m提取各节点计算结果，两种步长工况下差分计算值相差不大，前80小时的差分解与解析解的对比如图4.2所示，图中距离是指与恒定为0℃边界的距离。各点处差分解与解析解吻合程度高，表明该差分程序具有良好的计算精度。可以看出距离高温边界越近温度响应越快、反之越慢，体现了介质中温度传递的滞后性，0.1m处温度大约经历了25小时才开始逐渐升高。80小时后，温度随距离大致呈线性分布，符合平板稳态导热的特征。表4.1单层平板解析解与差分解的比较A部分Table4.1ComparisonPartAofanalyticsolutionanddifferencesolutionofsingle-layeredplate时间(小时)解析解空间步0.01m误差空间步0.05m误差0.51.61E-132.78E-140.0000002.32E-070.00000013.8E-074.68E-070.0000008.49E-050.0000841.50.0001500.0001610.0000110.0017190.00156920.0030910.0031890.0000980.0113270.0082362.50.0193940.0197290.0003350.0417030.02230930.0668780.0675840.0007060.1085830.0417053.50.1634360.1645820.0011460.2259070.06247140.3216230.3232140.0015910.4029880.0813654.50.5473200.5493180.0019970.6439570.09663750.8407990.8431450.0023450.9485610.107761表4.2单层平板解析解与差分解的比较B部分Table4.2ComparisonPartBofanalyticsolutionanddifferencesolutionofsingle-layeredplate时间(小时)解析解空间步0.01m误差空间步0.05m误差50.539.41653239.4169650.00043339.400418-0.0161135139.60288939.6033110.00042139.586691-0.01619951.539.78596639.7863750.00041039.769690-0.0162765239.96581939.9662170.00039839.949473-0.01634652.540.14250440.1428920.00038740.126096-0.0164085340.31607940.3164560.00037740.299616-0.01646353.540.48659840.4869640.00036640.470086-0.0165115440.65411340.6544690.00035640.637561-0.01655254.540.81868040.8190250.00034640.802093-0.01658765 重庆大学博士学位论文时间(小时)解析解空间步0.01m误差空间步0.05m误差5540.98034840.9806840.00033640.963733-0.016615图4.2一维单层平板导热的差分解与解析解Fig.4.2Analyticsolutionanddifferencesolutionforthermalconductionofmono-dimensionalsingle-layeredplate表4.3双层平板解析解与差分解的比较A部分Table4.3ComparisonPartAofanalyticsolutionanddifferencesolutionofdouble-layeredplate时间(小时)解析解空间步0.01m误差空间步0.05m误差10.0036650.0038680.000203-0.008437-0.01210220.3776990.3810200.0033210.361427-0.01627231.8933181.8993560.0060381.9242790.03096144.3630074.3700100.0070034.4391240.07611757.3139407.3209730.0070337.4207410.106801610.42198310.4286640.0066810.5468100.124826713.50941713.5156150.00619813.6432620.133845816.48760616.4933000.00569416.6244990.136893919.31673219.3219430.00521119.4528590.1361271021.98280221.9875650.00476322.1157960.132994②一维双层平板一维双层平板总长度为1m，每层长度均为0.5m，初始温度为0℃，t>0后，2一端保持0℃。另一端始终保持100℃。靠近高温处介质的导温系数为2.0e-6m/s，66 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测2导热系数为2.0w/(m·k)。另一层介质的导温系数为1.0e-6m/s，导热系数为1.0w/(m·k)。差分方程中时间步长取12s，空间步长取0.01m和0.05s两种工况。中间位置即距边界0.5m处的解析解和差分解对比如表4.3和表4.4所示，表中解的单位为℃，可以看出空间步长取0.01m精度高于空间步长取0.05m的工况，误差不累积。表4.4双层平板解析解与差分解的比较B部分Table4.4ComparisonPartBofanalyticsolutionanddifferencesolutionofdouble-layeredplate时间(小时)解析解空间步0.01m误差空间步0.05m误差9166.02069766.020538-0.0001666.018525-0.0021729266.05319466.053040-0.0001566.051072-0.0021219366.08405666.083908-0.0001566.081985-0.0020719466.11336566.113222-0.0001466.111346-0.0020209566.14120066.141062-0.0001466.139232-0.0019689666.16763566.167501-0.0001366.165718-0.0019179766.19274066.192610-0.0001366.190874-0.0018669866.21658266.216457-0.0001366.214766-0.0018169966.23922466.239103-0.0001266.237459-0.00176510066.26072866.260611-0.0001266.259012-0.001716双层平板导热前100小时的差分解与解析解如图4.3所示，可以看出两者吻合度很高，表明该差分计算程序对于双层介质也具有良好的精度。大约经历了100小时后，平板导热达到稳定状态。在同一介质中温度均匀分布，而对于不同的介质，导热系数越大温度梯度越高，符合复合平板稳态导热的特征。对于两层以上的复合平板模型，由于其交界面处节点温度的计算方式与双层平板一致，该差分程序也是适用的。通过与解析解的对比，验证了该差分程序具有较高的计算精度，并且对于单层、双层以及多层平板导热问题都是适用的。67 重庆大学博士学位论文图4.3一维双层平板导热的差分解与解析解Fig.4.3Analyticsolutionanddifferencesolutionforthermalconductionofmono-dimensionaldouble-layeredplate4.2隔断类断链防治技术作用机理的差分法分析与试验验证在冻土地区修筑公路改变了原天然地表与大气之间的热量平衡，使融化层的深度发生改变。大量的监测资料表明：对于零开挖路堤及低路堤，由于表面热学特征的改变，路面夏季吸收的热量明显增加导致路基下多年冻土上限降低。较高的路堤即使在夏季施工，由于冬季回冻深度可能超过路堤高度与原天然上限之和，仍然会导致路基下多年冻土上限升高，与季节冻融层形成衔接的冻土层，并在随后的年份中形成冻土核。当路堤高度继续增大，路堤夏季的吸热量超过了冬季的冻结能力后，就会在路堤内部或基底土层内形成融化核，最终导致多年冻土上限持续下降。由此可见，减少路基内部的吸热量对保证冻土区路基稳定性具有重要意义。铺设隔热层或增加路堤高度在减少路基内部吸热量上具有相同的效果，但路基高度的增加一定会受到限制，此时往往在路基中铺设一层隔热层用以隔断热能在病害链中的传递更为可行。如4.1.1所述，对隔热层的作用机理进行研究，可以将热学属性不同的面层、基层、路基、隔热层及地基的温度场简化为一维复合平板导热问题。4.2.1多层平板导热计算模型的建立①模型结构与尺寸1）路面结构青藏高原公路改建工程常见路面整治设计方案见表4.5。68 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测表4.5路面整治方案表Table4.5Treatmentschemeoftheroadsurface编号路面技术状况等级路面整治初步设计方案1技术状况良好路段加铺5cm中粒式改性沥青混凝土补强加铺4cm细粒式改性沥青混凝土+5cm中粒式沥青混2技术状况中等路段凝土补强加铺5cm中粒式改性沥青混凝土＋8cm热拌沥青碎3技术状况次等路段（砾）石补强重新修筑路面。路面结构采用4cm细粒式改性沥青混4技术状况差等路段凝土＋8cm热拌沥青碎（砾）石＋20cm水泥稳定砂砾基层＋20级配砂砾底基层重新修筑路基、路面。路面结构采用4cm细粒式改性5技术状况很差路段沥青混凝土＋8cm热拌沥青碎（砾）石＋20cm水泥稳定砂砾基层＋20级配砂砾底基层[111-112]结合已有研究成果，设定模型中沥青混凝土面层厚度0.1m，水泥稳定砂砾基层厚度0.4m。2）路基断面a.青藏公路青藏公路改建工程路基断面及尺寸:按照交通部部颁标准《公路工程技术标准》中二级公路路基横断面几何尺寸的规定以及青藏公路格拉段改建完善工程设计标准，路基宽度为10m、12m及8.5m，其中：行车道分别为3.5m×2、4.5m×2、3.5m×2，土路肩2×1.50m，在部分路段为保护冻土路基，路基两侧设置了2m宽的保温护道。路堤边坡高度小于等于8m时，坡率取1:1.5；边坡高度大于8m时，上部8m坡率取1:1.5，下部边坡坡率取1:1.75。土路肩外侧边缘及边坡坡脚处采用自然的圆弧过渡，土路肩处圆弧半径为1m，坡脚处半径为4m。路基填料：充分利用整治改建工程中遗留的土石混合料和弃渣，路基填土不同部位的强度要求按《公路路基设计规范》中的规定执行。b.青康公路一般路段均采用填方路基，填方路基一般1.5m~3.8米。一般路基横断面如图[113]4.5。69 重庆大学博士学位论文图4.4一般路基横断面图Fig.4.4Cross-sectionalofgeneralroadbeds路堤边坡当高度≤3m时，边坡坡度1:1.5~1:1.75；当3m<路堤高度<6m时，自路肩在2.5~3.0m以下，可采用1:1.75~1:2.0。路基填土不同部位的强度要求按《公路路基设计规范》中的规定执行。3）地质情况a.青藏公路XPS板隔热层路基位于片状连续分布多年冻土区。区域内气候严寒，多年冻土发育年平均地温变化较大，从极不稳定到极稳定状态均有。地下冰普遍较发育，厚者达5m以上。年平均地温为0～–6.0℃以下，天然上限为0.8～3.5m，多年冻土厚度30~120m。地下冰含土冰层、饱冰冻土、富冰冻土地段的面积占区段面积2/3～4/5。沿线连续分布多年冻土区内存在许多融区。主要发育于活动构造断裂带、河流及湖泊地带。受地热、河流及湖泊的潜热侵蚀作用，形成贯穿和非贯穿融区。河流融区以砂砾石为主的粗颗粒土，在阶地上常夹有细砂、粉砂等，地下水位较高，除粉砂、细砂地段具有冻胀性外，砂砾石地段多属于弱冻胀性，为良好和较好工程地质地段；构造融区地带的岩性较为复杂，有碎石土、砾石土、亚砂土及亚粘土夹碎石，部分地带为粘土夹碎石。粗粒相的土类多属于弱冻胀性土，细粒相土类属于冻胀性土，一般属于较好工程地质地段，部分地带属于不良工程地质地段；湖泊融区地带的岩性多为细粒相的粉砂、亚粘土和粘土，有些为淤泥，含水量较大，具有较高的压缩性和强冻胀性，属于不良或极差工程地质地段。b.青康公路[62]青康公路改建工程拟建路段地质结构如下：70 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测图4.5XPS板路段地质结构图Fig.4.5GeologicalstructureofXPS-platedsections表4.6XPS板隔热层路段地质结构描述表Table4.6DescriptionsofgeologicalstructureinXPS-platedsections深度地质构造描述土体含冰描述（cm）0~60粉砂土结构松散，未见砾石。未见冻土砾块石约占30%，砂无明显冰结构，整体状构造，冻结强度60~190砂砾石层占60%，粉质土占大，不易破碎，属季节冻土层10%，ω=15%有轻微的层状冰，冻结强度大，属季节浅褐色，岩性单一，冻土层，270cm以下含有分凝冰，含冰190~690粉砂层无其他杂质，量60%（饱冰冻土段）；310cm冻结强度大，含冰量5%（少冰冻土区）浅褐色，砂占50%，含冰量小，无明显的冰结构，含冰量5%690以下细砂层粉质土占35%，砾块（少冰冻土区）石占15%,ω=15%c.XPS板隔热层的设置技术要点当计算以融化压缩沉降量超过路基允许沉降量时，或当路基设计高度由于路线纵坡控制不能足路基临界高度时，在路基中路面宽度范围内设置XPS板隔热层，[113]XPS板隔热层的厚度以式（4.39）确定(图4.6)。L⋅tRnnnIS=2(∑Rn−1+)(4.39)24K2式中:I—沥青路面的融化指数(℃·天)；s71 重庆大学博士学位论文3L—第n层的体积融化潜热（kcal/m）；nt—第n层的融化深度（m）；n2R—第层中融化层的热阻（nh·℃·m/kcal）；n2∑Rn−1—第1层至第n-1层的热阻之和（h·℃·m/kcal）；K—地区修正系数，K=1.20~1.95。图4.6XPS板隔热层路基设计图Fig.4.6DesignofXPS-platedroadbeds已有研究表明XPS板隔热层厚度应在10cm以内，在满足受力条件下埋设深度尽量浅。②边界条件的确定极值温度可以描述特定条件下的极限状态，而病害防治措施的作用机理研究更需要能揭示普遍规律的年平均温度。路基的尺寸，防治措施，边坡效应，气候[114-117]条件等对于路基温度场的变化都有显著影响，但年平均气温对于路基的热影响却少有研究。根据青藏公路沿线地区多年的气温观测资料，参考3.2.1所述，结[118-119][114]合附面层原理，青藏高原沥青面层温度边界为式(4.40)：⎛2πt7π⎞T=5.2+145.sin⎜−⎟(4.40)⎝876012⎠对于工程可能需要预测的最不利状态下的瞬间极值温度，可以采用3.2.2及3.2.3之方法推导。研究表明，气候变化对多年冻土区冻土的短期影响很小，路基地基的低温变化受气候变化的影响也非常小，基本保持稳定态。但地基中存在地热，取一热流2密度0.06w/m。[111-112]依据实际工程，参考其它研究成果，按照不利原则，确定计算模型中沥青混凝土面层厚度为0.1m、水泥稳定砂砾层厚0.4m，XPS板隔热层宽度设置为7m，分不铺设、厚6cm及厚10cm三种工况，铺设于基层底部。地层1及地层2的厚72 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测度分别为3m及7m。路面平均温度为-3℃，年温度按正弦变化年振幅为15℃，路面最低温度出现在12月，模型初始温度为-3℃。模型底部为热流边界，热流为20.06w/m。依据上述分析，建立的XPS板隔热层路基一维五层平板导热模型的几何结构如图4.7。图4.7XPS板隔热层路基五层平板导热计算模型Fig.4.7Computationmoduleofthermalconductioninfive-layeredinsulatingplates4.2.2计算结果分析计算时间为1年，计算结果分别如图4.8、图4.9、图4.10所示。将图4.8与图4.9、图4.10对比分析可见，无XPS板隔热层时地温振幅沿深度呈现指数衰减的趋势。而铺设XPS板隔热层后较深处地温持续升高，地温振幅沿深度的变化为先减后增。铺设6cm、10cmXPS板隔热层后，底部温度均升高至4.00℃。分析图4.8，无XPS板隔热层时基底浅层温度波动范围较大，最高温度为9.34℃而最低温度为-15.20℃。分析图4.9，铺设6cmXPS板隔热层后，基底浅层最高温度为1.13℃、最低温度为-6.11℃，年变化幅度为无XPS板隔热层工况的29.5%。分析图4.10，铺设10cmXPS板隔热层后，基底浅层最高温度为-0.16℃、最低温度为-5.00℃，年变化幅度为不铺设XPS板隔热层工况的19.7%。将图4.9与图4.10对比分析可见，当XPS板隔热层厚度达到10cm后其底部浅层温度全年均处于0℃以下，与厚度为6cm的工况相比，其年变化幅度下降明显。XPS板隔热层厚度对其底部约2m内的地温影响较明显，而距离较远时地温由地热控制，受隔热层厚度的影响较小。73 重庆大学博士学位论文图4.8无保温材料地温包络线Fig.4.8Ground-temperatureenvelopewithoutinsulation图4.9铺设6cmXPS保温板地温包络线图4.10铺设10cmXPS保温板地温包络线Fig.4.9Ground-temperatureenvelopewithFig.4.10Ground-temperatureenvelope6cmXPSinsulatingplateswith10cmXPSinsulatingplates4.2.3XPS板隔热层路基试验段实测分析有限差分法等数值计算方法可以在时间和空间尺度上拓展室内外试验研究成果，并根据现有资料进行预测，得到一定可信度的研究结论。但是，一维多层平版导热模型的建立是为研究XPS板隔热层作用机理这一特定的问题而设计，其方法和参数多变，其应用的领域受限。包括各种多参数耦合，二维、三维数值模型都缺乏有效的实际工程检验和验证，数值计算的成果可信度较差。为了检验一维多层平板导热模型能否反映XPS板隔热层作用机理，本文对铺设的XPS板隔热层74 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测路基试验段的实测结果进行研究。①XPS板隔热层的铺设技术要点1）XPS板的技术指标要求：板厚不超过10cm，宽度不超过路肩内边缘，抗3压强度不低于650KPa，导热系数不大于0.030W/m.℃，容重不小于44.9kg/m。2）XPS板的拼接方式：有平接、搭接、企口三种（图4.11）。图4.11XPS板接口示意图Fig.4.11InterfaceofXPSplates3）XPS板隔热层的铺设要点一般在路堑基底距路面0.8m处铺设保温层，能有效增大换填层热阻，减小传入地基的热量，从而保证高含冰地段路基的稳定性。铺设前要整平、压实其下部的砂垫层，不得有坚硬的凸出物。铺设完毕要及时进行上部砂垫层施工，避免高原强烈的紫外线对其造成伤害，并防止大风掀翻已铺好的隔热板。综合考虑热学、力学等因素的影响，将XPS板隔热层紧贴底基层下部埋设。直线段拼接布设板材相对较容易，曲线段拼接相对困难，采用直向积累、集中拼[94]缝处理的方法进行铺设。拼缝处理时，采用同质不规则板材进行现场切割组拼，相邻板材之间原有的搭接方式被打断，采用粘合剂对该处进行胶接连接。铺设应满足整个区段滑顺自然，板材嵌挤紧密，不留空隙；并且满足全区段幅宽要求，在弯道处局部适量加宽，使全区段最小有效宽度达到设计要求。施工机械不直接碾压XPS板，施工时将合适的填料用自卸汽车运抵路段的一端卸料，由铲车将填料按照预留压实厚度向前将过剩的填料推运，依次类推，完成板材上填料的铺筑工作，随后用平地机[94]整平，压路机压实（图4.12）。铺设XPS板的施工季节对路堤下冻土上限有较大影响，为达到最好的隔热效果，XPS板隔热层路基的施工季节最好能选择在冬季，如果冬季无法施工，应避开出现最大冻融深度的季节，综合考虑XPS板铺设的时间应选择在6月底以前。75 重庆大学博士学位论文图4.12XPS板隔热层上填料施工图图4.13XPS板隔热层试验路段位置图Fig.4.12DesignforinsulatinglayerfillingFig.4.13LocationplanoftestsectioninXPS-platedroadbeds②试验仪器布置青藏高原公路工程铺设有多处XPS板隔热层路基试验段，现以青康公路共和[120-121]至玉树段试验断面为例展开研究（图4.13）。XPS板隔热层路基断面共设6根横向观测管，每根观测电阻长18m，1点/m，每根19个电阻，引线长10m；路基断面温度纵向观测共设6个观测孔，分别为左坡脚、右坡脚、左路肩、右路肩、路中和天然孔，孔深均为15m，每根线布设21个温度传感器。其中天然孔放到路基左侧。测试元件的横向、竖向埋设及平面布[120-121]置见图4.14、图4.15、图4.16。图4.14测试元件横向埋设位置图4.15测试元件竖向埋设位置Fig.4.14HorizontaltesterburyingFig.4.15VerticaltesterburyingpointspointsinXPS-platedroadbedsinXPS-platedroadbeds76 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测图4.16测试元件平面布置Fig.4.16PlaneoftesterburyingpointsinXPS-platedroadbeds③实测温度场变化规律分析[121]1）对比图4.17和图4.18分析的：图4.17某xps板路基断面路中心地温随时间变化曲线Fig.4.17GroundtemperaturevariationcurveofhistoryatsomeXPS-platedroadbedcentralsection图4.18某xps板路基断面天然地面地温随时间变化曲线Fig.4.18NaturalgroundtemperaturevariationcurveofhistoryatsomeXPS-platedroadbedsectiona.路中心处地温变化与天然地基地温变化的规律相同，说明铺筑路基以及在路基内加铺隔热层，不改变热能传递的规律。b.路中心处年最高温度出现在7月路表（18.3℃），最低温度出现在12月路77 重庆大学博士学位论文表（-15.4℃），全年最大温差33.7℃。天然地基年最高温度出现在7月地表（8.3℃），最低温度出现在12月路表（-14.7℃），全年最大温差23℃。说明修筑公路结构，加剧了地表气温的波动，影响了当地气候环境。c.路中心处-0.5m及以下年最大温差在5.7℃以内，而天然地基-0.5m及以下年最大温差达14℃，说明隔热层的铺设降低了路基内部热量的年波动幅度，改善了路基温度场的平衡。d.高温季节（7月），路基中心处表面温度与天然地基表面温差（10℃）远大于低温季节（12月）的温差（0.7℃），说明隔热层效果明显。[121]2）分析整个断面各测点位置的温度场（图4.17～图4.21）图4.19某xps板路基断面左坡脚地温随时间变化曲线Fig.4.19GroundtemperaturevariationcurveofhistoryatsomeXPS-platedroadbedsectioninleftslopeground图4.20某xps板路基断面左路肩地温随时间变化曲线Fig.4.20GroundtemperaturevariationcurveofhistoryatsomeXPS-platedroadbedsectioninleftshouldergrounda.数据显示XPS板隔热层路基断面的各点、各深度的年地温变化均近似呈正弦变化规律，热能在XPS板路基病害链的路面外环境、路基结构本体和地基外环境中的传递规律相同，说明隔断类断链防治措施XPS板的设置不是通过改变冻土区公路路基病害链中热能的传递方式而是通过改变能量大小来发挥作用的。b.设置XPS板路基中，热能向地中传递时，地温呈周期性变化，各个测点的全年温差随深度增加而减小，到某一深度时，路基地温年变化曲线将接近一条直78 3冻土区公路路基病害链链源的影响分析及沥青面层温度的预测线，土体处于热稳定状态。图4.21某xps板路基断面路右路肩温随时间变化曲线Fig.4.21GroundtemperaturevariationcurveofhistoryatsomeXPS-platedroadbedsectioninrightshoulderground图4.22某xps板路基断面右坡脚地温随时间变化曲线Fig.4.22GroundtemperaturevariationcurveofhistoryatsomeXPS-platedroadbedsectioninrightslopeground④实测结果与差分计算结果的对比分析将图4.19与图4.9、图4.10对比分析可见，铺设XPS板隔热层后试验段实测与差分计算结果均显示路基较深处地温持续升高，地温振幅沿深度的变化为先减后增，且年变化幅度明显减小，为无XPS板隔热层工况的30%左右。说明对于铺设XPS板隔热层的工况，五层平板导热差分计算结果与实测结果在研究XPS板隔热层的作用机理时，对于路基断面中心两者的描述是一致的，与现有研究成果[36.43.111.112]的有关结论也基本相同。4.3本章小结本章推导了单层及多层平板导热微分方程求解的差分格式。运用积分变换法、分离变量法以及待定系数法推导了单层半无限平板以及单层及双层平板的解析解。并运用差分计算和试验路段实测数据分析了XPS板隔热层的作用机理，将现场实测数据与差分计算进行了对比分析，得到的主要结论如下：①以XPS板隔热层为代表的冻土区路基病害隔断类断链防治技术的作用机理：1）路基各深度、地基及路侧天然土体的年地温变化均近似呈正弦变化规律，说明热能在XPS板路基病害链的外环境、路基结构本体和地基中的传递规律相同，79 重庆大学博士学位论文在冻土路基中加铺XPS板隔热层，可以减少路基结构本体吸热并降低路基高度。但铺设隔热层不能改变路基吸热继续增大的趋势，即隔热层可以延缓却不能阻止多年冻土上限的下降；铺设隔热层后基底浅层地温明显降低。所以，隔断类断链防治措施的设置不是通过改变冻土区公路路基病害链中热能的传递方式而是通过改变能量大小来发挥作用的。2）铺设XPS板隔热层后路基较深处地温持续升高，地温振幅沿深度的变化为先减后增，且年变化幅度明显减小，为无XPS板隔热层工况的30%左右。表明隔断类断链防治技术明显消弱了通过路基病害链外环境E进入病害链的链源强度。(D)因此，为增强防治效果，隔断类断链防治技术措施布设的位置应尽可能靠近路基病害链的外环境。3）铺设10cm厚XPS板隔热层路基底部浅层温度全年均处于0℃以下，与厚度为6cm的工况相比，其年变化幅度下降明显。说明XPS板隔热层厚度对其底部约2m内的地温影响较明显，而距离较远时地温由地热控制，受隔热层厚度的影响较小。②一维五层平板导热模型用于冻土区公路路基隔断类断链防治技术的机理分析是可行的，可以用于类似工况的模拟计算。在使用时应注意：1）本文推导的介质内部、交界面以及模型边界温度计算的差分格式，对复杂的三层以上平板瞬态导热问题提出差分解，其理论价值一是适用于多层平板理论上任意层数的平板瞬态导热问题，二是对于复杂的初边界条件适应性非常强。单层及双层平板导热的差分计算具有较高精度，误差不累积。每层介质中节点数量不能少于三个，当介质中存在薄层且计算模型空间及时间尺寸较大时求解会受到计算机内存的限制。2）与路基温度场实测数据进行比较，一维五层平板导热模型对于路基中心温度场的模拟较为准确，路基边缘受边坡外环境传热的影响，温度场变化规律不变，但温度值产生变化。在实际使用时与边坡温度场的相互影响叠加有待进一步解决。80 5冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究5冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究设置在公路结构本体表面或内部，通过各种形式的气体、液体流动，减弱链源F或改变链源F传递路径R，将病害链中的病源导出系统结构，从而防治病(t)(t)(t)害的技术措施称之为“消弱类断链防治技术”。热能是冻土区路基病害链的主要链源。在全球气候变暖的背景下通过应用增加路堤高度、铺设保温板等隔断类断链防治技术措施，取得的实际效果只能延缓却不能够阻止基底冻土温度上升。与隔断类技术措施相比，消弱类技术的作用原理是在路基中设置技术措施来减小热能在结构中的传递量，从而降低冻土温度，实现病害的断链防治。此类技术措施对空间大小、通风条件等具有较高要求且造价更高，目前以各类通风路基为代表。国外很早就提出了通风路基的概念，加拿大等国对其开展试验研究，通过在路基中铺设管材能够增强空气对流效果来降低路基温度，我国在青藏公路、青藏铁路的修建中也进行了类似试验。与碎石路基相比，通风管路基作用机理的相关研究较少。已有的研究大多把通风管管壁作为热流边界处理而研究其热传导问题，[122-123]刘伟江等利用有限元分析，研究了管径、埋深、管间距对通风管路基降温效[124-125]果的影响。但除了杨丽君等人外，管内流速对降温效果的影响研究相对很少。本章考虑路基温度与管内空气流动的耦合，研究了20cm管径通风管内风速为0m/s、0.1m/s、0.2m/s时的降温效果和作用机理，并通过对实测数据的分析进行了验证。5.1流场与温度场的理论分析5.1.1流场与温度场的基本方程[126]由流体的质量守恒定律可以导出流体的连续性方程，即：∂ρ∂()ρv∂()ρv∂()ρvxyz+++=0（5.1）∂∂∂∂txyz式中：vx、vy和vz分别是x、y、z方向上的速度分量，ρ为密度，t表示时间，p表示压力。密度的变化率可以使用压力的变化率和密度对压力的变化率表示，即：∂ρ∂∂ρp=（5.2）∂tp∂∂t在牛顿流体中，应力和流体变形率存在以下关系：∂ui∂uj∂uiτδ=−p+μ()++δλ（5.3）ijijij∂x∂∂xxjii式中：τ为应力张量；u为正交速度（uv=，uv=，uv=）；μ为动力iji1x2y3z81 重庆大学博士学位论文粘度，λ为粘度第二系数。动力粘度将应力与流体线变形联系到一起，第二粘度系数将应力与流体体积变形联系到一起。抵抗流体质点之间相对运动或者抵抗流体剪切变形的性质称为流体的粘度。式（5.3）中最后一项表示粘度第二系数与速度散度的乘积，对于密度为恒定的流体则该项等于0。利用式（5.3）可以将式（5.1）转换为N-S方程，即广义动量方程，该方程中不包括应力项。若对流体属性不进[126]行任何假设，N-S方程可表示如下：∂∂ρρvv()v∂()ρvv∂()ρvvxxxyxzx+++=∂∂∂∂txyz（5.4）∂∂p∂∂∂vvv∂∂xxxρμgR−++()()()+μ+μ+Txxeeex∂∂∂xxx∂∂yy∂∂zz∂∂ρvv()()()ρρρvv∂vv∂vyxyyyzy+++=∂∂∂∂txyz（5.5）∂∂p∂∂∂vvv∂∂yyyρμg−++RT()()()+μ+μ+yyeeey∂∂∂yxx∂∂yy∂∂zz∂∂ρρvv∂()ρvv∂()ρvv()vzzxzyzz+++=∂∂∂∂txyz（5.6）∂∂p∂∂∂vvv∂∂zzzρμg−++RT()()()+μ+μ+zzeeez∂∂∂zxx∂∂yy∂∂zz式中：g、g、g为重力产生的加速度分量；μ为有效粘度，对于层流有效xyze粘度为动力粘度；R、R、R为分布式阻力；T、T、T为粘性损失项，当不xyzxyz可压缩流体的属性参数为恒定值时粘性损失项可不考虑。T、T、T的表达式如xyz下。∂∂∂∂v∂v∂vxyzT=++()()(μμμ)（5.7）x∂x∂∂∂∂∂xyxzx∂∂∂∂v∂v∂vxyzT=++()()(μμμ)（5.8）y∂x∂∂∂∂∂yyyzy∂∂∂∂v∂v∂vxyzT=++()()(μμμ)（5.9）z∂x∂∂∂∂∂zyzzz对于考虑热传导的可压缩流体，其基于总温度的能量方程为：∂∂∂∂()()()()ρρρρCT+++vCTvCTvCT=px000pypzp0∂∂∂∂txyz（5.10）∂∂∂∂∂∂TTT∂p000()()()KKK+++W+E+Q+Φ+vvv∂∂∂∂∂∂xxyyzz∂t与可压缩流体相比，不可压缩流体可以忽略能量方程中的粘性功、压力功、粘性耗散和动能，并且因为忽略了动能，静态温度等于总温度。不可压缩流体的能量方程为：82 5冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究∂∂∂∂()()()()ρρρρCT+++vCTvCTvCT=pxpypzp∂∂∂∂txyz（5.11）∂∂∂∂∂∂TTT()()()KKK+++Qv∂∂∂∂∂∂xxyyzz5.1.2流体的湍流当惯性效应大于粘性效应时，流体的状态可能由层流变为湍流。湍流的模型很多，但大致可分为三大类：第一类是湍流输运系数模型；第二类是抛弃了湍流输运系数的概念，直接建立湍流与其它二阶关联量的输运方程；第三类是大涡模[127]型。前两类是以湍流的统计结构为基础，对所有涡旋进行统计平均。大涡模型把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通过求解修正的三维N-S方程得到大涡漩的运动特征。ANSYS采用了湍流输运系数模型。当流体的状态为湍流时，流体中每一个点都是波动变化的，因此湍流速度的表达式由常时均值速度和波动速度组成，即：vvvx=x+′x（5.12）式中：v为x方向的常时均值速度，v′为x方向的波动速度。xx无量纲参数雷诺数R是流体惯性力与粘性力的比值，常用以判断流体的运动e状态。ρvLcR=（5.13）eμ式中，L为流体的流场特征长度。对于内流问题流场的特征长度为水力直径，c即：横截面流动面积LD==h4（5.14）c湿周长圆形通风管水力直径就是直径。对于管内流动问题，一般认为当雷诺数R超e过2300时就发生湍流。常见的湍流模型包括：标准k−ε模型、零能方程模型（zeroequationmodel）、RNGk−ε模型（Re-normalizedGroupmodel）、标准k−ω模型等。零能方程模型相对简单。RNGk−ε模型是标准k−ε的修正模型。标准k−ε模型及其修正模型需要求解湍流动能及湍流动能耗散率的偏微分方程，并将湍流粘度作为湍流参数中的动能k和耗散率ε的函数进行计算，表达式如下：2kμρ=C（5.15）tμε式中：C为湍流系数，在标准k−ε模型中其为常数。μ标准k−ε的湍流动能方程为：83 重庆大学博士学位论文∂∂()ρk∂∂+++()()()ρρρvkvkvk=xyz∂∂tx∂y∂z∂∂∂∂∂∂∂∂∂μμμkkkttt()()()+++（5.16）∂∂∂∂∂∂xxyyzzσσσkkkCβμ∂∂∂TTT4tμρΦ−ε+()ggg++txyzσ∂∂∂xyzt标准k−ε的耗散率方程为：∂∂()ρε∂∂+++=()()()ρεvvvρερεxyz∂∂tx∂y∂z∂∂∂∂∂∂∂∂∂μμμεεεttt()()()+++（5.17）∂∂∂∂∂∂xxyyzzσσσεεε2CCμεεμ(1−C)βρk∂TT∂∂T13εtΦ−Cgρ+()+g+g2xyzkkσ∂x∂∂yzt式中：σ、σ、σ分别为湍流能量方程、动能方程及动能耗散率方程中的施tkε密特数；C、C、C、C均为湍流动能耗散率常数；C为湍流常数；β为热膨1ε234μ胀系数，表示在压强保持恒定的情况下流体的体积随温度升高而增加的特性，即表示流体的膨胀性。5.1.3孔隙介质的相变分析系统能量的变化可能导致的物质的原子结构发生的改变称为相变。通常的相变包括凝固、融化和汽化。当物质发生相变时，温度保持不变，在物质相变过程中所需要的热量称为潜热。求解相变问题常用的两种方法是焓法和显热容法。焓在工程热力学中是个重要的物理量。其性质体现以下几个方面：焓是状态函数，具有能量的量纲；焓的量值与质量的量有关，具有可加性；和热力学一样，焓的绝对值无法确定，但是可以确定两个不同状态下焓的变化量ΔH，ΔH可正可负；对于定量的某种物质，若不考虑其它因素则吸热时焓值增加，放热时焓值减少。焓法是在计算中引入焓来考虑物质的相变过程。而显热容法是在相变温度区间中将潜热处理为等效导热系数，目前在相变分析中被广泛采用。考虑相变的导热微分方程为：∂θ∂TLρρLC+=∇⋅(k∇T)（5.18）Lefefef∂∂tt式中：L为潜热；ρ、ρ分别表示液体密度和孔隙介质的有效密度；C、kLefefef分别代表有效热容、有效导热系数。有效密度、有效热容、有效导热系数一般按各介质的体积比例确定。作如下变换：∂∂θ∂Tθ∂TLL=（5.19）∂∂tTTt∂∂84 5冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究则式（5.18）可变为：ρ∂θ∂TLLρ()LC+=∇⋅(k∇T)（5.20）efefefρ∂∂Ttefρ∂θLL称L+C为显热容。efρ∂Tef5.2考虑管内风速的通风管路基作用机理的数值模拟与试验验证5.2.1通风管路基计算模型的建立当前研究的通风管路基中的通风管有普通通风管、关帘子通风管、自控通风管、透壁通风管、空心块通风管和加装采风口通风管等几种类型，有PVC、金属和混凝土等几种管材。青藏高原具有代表性的两条公路一是青藏公路，二是青康公路。本文依据两条公路的实际情况分析建立计算模型。①断面几何形状与尺寸的确定1）青藏公路格拉段改建完善工程的自控通风管路基断面型式a.地质情况、路基断面形状、尺寸及材料、路面结构见4.2.1。b.通风管的设置技术要点通风管内径为40cm，管间距按200cm垂直路基走向水平铺设，通风管位于路堤距离地表1m的高度。2）青康公路共玉段改建工程的普通通风管路基断面型式a.地质情况[62]青康公路共玉段改建工程拟建通风管路基路段地质结构如下：图5.1青康公路共玉段改建工程通风管路基地质结构图Fig.5.1GeologicalstructureofventilatedroadbedsinImprovementProjectofGongyuSection,Qinghai-KangdingHighway85 重庆大学博士学位论文表5.1青康公路共玉段改建工程通风管路基地质结构情况表Table5.1GeologicalstructurestatementofventilatedroadbedsinImprovementProjectofGongyuSection,Qinghai-KangdingHighway深度地质构造描述土体含冰描述2.5m处见冻土，无明显的冰结构，为0~2.5m砂砾石层整体状构造，冻结强度大，不易破碎，冰约占土体的8%左右，属多冰冻土段有断断续续的冻土出现，整体状构造，2.5~4m粉质粘土冰约占土体的6%，属少冰冻土区深褐色，岩性单一，冰占土体的4%，属少冰冻土段。9.8m无砾块和其他杂质，处见20mm的厚纯冰层，11.4米见全风化4m以下岩芯成柱状，节长大60mm的厚纯冰层，12.4m见60mm的泥岩于400mm，遇水粘性厚纯冰层，12.8m见40mm的厚纯冰大层。b.路基断面形状、尺寸及材料、路面结构见4.2.1。c.通风管的设置技术要点当路基设计高度大于2.5m，且路基走向与当地冬季风向基本垂直时，可设计为通风管路基（图5.2）。通风管采用混凝土管，内径40cm，间距200cm，埋深距[113]天然地表80~160cm。图5.2通风管路基设计图Fig.5.2Designofventilatedroadbeds除了普通通风管路基之外，青藏公路还对透壁式通风管、空心块通风管等几种通风管路基进行研究，结果表明，都能起到消弱热能传递保护冻土并有效控制路基的融沉变形的作用。86 5冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究[128]蒋武军对透壁式通风管建立的计算模型，管径40cm，管间距200cm，埋设深度距地面160cm。地质构造为亚粘土及弱风化泥岩。[31]袁堃对空心块通风管建立的计算模型，路基断面宽度10m，高度3~3.5m。管径20cm，埋设深度距地面100cm。3）几何模型断面形状与尺寸的确定[50.124.125]依据上述两个实际工程项目，参考其它研究成果，按照不利原则，拟定通风管路基模型的典型断面如图5.3所示。图5.3通风管路基几何模型（长度单位:m）Fig.5.3Geometricmodelofventilatedroadbeds(unitoflength:m)②有限元方法的选用[129-130]选用ANSYS软件中的温度场和流体分析模块进行数值模拟。ANSYS14.0提供了多种流体动力学问题的求解模块。求解流体问题的数值方法可分为两大类：有限元方法和有限体积法。FLOTRAN模块基于有限元方法，能通过质量、动量和能量守恒定律计算流体的速度、压力及温度，并提供了松弛、惯性松弛和人工阻尼等三种方法稳定求解。FLOTRAN模块提供了三节点三角形或四节点四边形的二维单元FLUID141和四节点四面体或八节点六面体的三维单元FLUID142。这两种流体单元的自由度包括速度、压力、温度、紊流动能、紊流能量耗散以及最多六类流体的各自质量所占的份额。可以进行流体区域和非流体区域的稳态或瞬态分析，在非流体区域只求解能量方程。与用一维网域连接成网状模型的单元不同，FLUID141单元和FLUID142单元可以求解区域中的流体流动与87 重庆大学博士学位论文温度分布，也可以进行流—固耦合分析。FLOTRAN模块使用分离序贯算法求解，即对控制方程进行有限元离散得出矩阵并对每一个自由度分别进行求解。流动问题是非线性的，控制方程是耦合在一起的。顺序求解所有的控制方程，连同更新任何与温度或压力相关的材料属性，构成一次总体迭代。③边界条件等参数的确立根据通风管路基典型断面建立有限元模型（图5.4）。先进行稳态计算，以稳态计算结果作为瞬态结算的初始条件。稳态计算时底部采用常温边界-1.5℃，两侧采用绝热边界，天然地表、沥青路面、路基边坡均采用恒温边界，其值分别为-1.5℃、2.5℃、0.7℃。稳态计算结束后，施加如表5.2所示的温度边界，该温度考虑了未来50年内平均气温升高2.6℃，模型两侧仍然采用绝热边界，改变底部边界条件为热流边界q=0.06w/m2。由于冻土区公路沥青路面设计年限为一般10年，瞬态计算时长设为10年。流场与温度场的耦合方式有直接耦合与间接耦合两种，考虑到空气流动对路基温度场影响较大而路基温度场对空气流动的影响较小，为缩短计算耗时本次计算采用间接耦合法，即先关闭温度场求解流场，后关闭流场求解温度场。假定相变发生的温度区间为-1℃~1℃，管内空气流动模型采用标准k−ε湍−52流模型，并且视为理想气体不可压缩。空气动力粘度取7.1×10(m/s)。④通风管内空气流速的确定[124.131]研究认为通风管内流速越小，降温效果越差。通风管内空气流速的估算公式为：K1−K22/1v=()v（5.21）t1+ξ+λl/d+ξih0式中K、K分别为通风管进风口和出风口外侧的空气动力系数；ξ、ξ分别12i0为通风管进风口和出风口局部阻力损失系数；λ为通风管内沿程摩阻系数；l和dhha分别为管长和管径；为通风管附近空气流动速度。vv=v()，h为离地面tt1010.85任一高度，为与地形相关的幂指数，aa=.012。v为空气距地面10.85m处的流动速度，青藏高原现场观测资料表明：102π3πv=.405+.195sin(t++a)（5.22）10i087602a为空气流动速度初相角，为时间。t0i根据图5.3的断面布置，结合青藏高原冻土地区的风速，确定现有各类型及结构尺寸的通风管均满足路堤结构力学要求，按照最不利原则，设定计算模型通风管管径为20cm，分普通路基、管内空气流速为0m/s、管内流速为0.1m/s、管内流速为0.2m/s四种工况进行分析。四种工况下初始条件并不一致，因此选择第二年、第十年路基及基底粉质黏88 5冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究土层温度场的改变值大小初步评价其降温效果，计算通风管热流密度揭示通风管路基的降温机理。由于沥青路面设计年限为10年，所以瞬态计算时长设为10年。图5.4通风管路基的有限元模型Fig.5.4Finiteelementmodelofvent-ductroadbeds表5.2温度边界（时间：s，温度℃）Table5.2Boundarytemperatures(time:s;temperature:℃)位置温度、时间函数22ππ.6t气温−+3.014.50sin(t++)86403600⋅28640360050⋅⋅22ππ.6t天然地表−+1.511.00sin(t++)86403600⋅28640360050⋅⋅22ππ.6t沥青路面2.515.15sin(++t)+86403600⋅28640360050⋅⋅22ππ.6t路基边坡0.714.50sin(++t)+86403600⋅28640360050⋅⋅89 重庆大学博士学位论文表5.3介质热学参数Table5.3Thermalparametersofmedia密度导热系数（Jmsk()⋅⋅）比热容（Jk/(gk⋅)）介质3（kgm/）冻结融化冻结融化砂砾土20601.401.15707862粉质粘土16002.121.4212221608全风化泥岩21002.502.009821272空气0.0241.301.30100010005.2.2不同工况的计算分析①普通路基3m高的路基其热阻可以阻止路面热量传入基底，起到了降温效果。第二年及第十年1月1日、7月1日路基及粉质粘土层的温度计算结果如图5.5所示，可以看出温度场关于道路中线对称。对比图5.5（A）及（C）可以看出，路面温度最低时基底粉质粘土层出现正温，表明温度在路基中的传递存在滞后性，第二年该正温最大值为0.946℃，随着大气温度的升高，至第十年同期该值为1.175℃，升高0.229℃，同时粉质粘土层中高于0.5℃的区域（云图中红色部分）面积增大。从图5.5（B）及（D）可以看出，路面温度最高时基底粉质粘土层出现负温，第二年该负温最低值为-1.225℃，而第十年同期该值为-1.038℃，升高0.187℃，低于-0.5℃的区域面积有所增加。②管内空气流速为0m/s管内空气流速为0m/s的工况计算目的是为评价管内空气流动时的降温效果提供参照。空气的导热系数和密度很小，本身就是很好的隔热保温材料，许多隔热保温材料内部填充了大量的空气，所以当管内空气流速为0m/s时，其效果与在路基中铺设保温材料一致。计算结果如图5.6所示，温度场关于道路中线对称。从5.6（A）及（C）可以看出，通风管上部填料层出现了大面积的低温，并且与通风管下部填料层存在很大温差，这与普通路基显著不同。第二年1月1日粉质粘土层中最高温度为-0.231℃，至第十年同期该值升高0.244℃至0.013℃。从图5.6（B）及（D）也可以看出，空气流速为0时通风管起到了明显的隔热保温作用，通风管上部与下部存在较高温差。第二年7月1日粉质粘土层最低负温为-1.470℃，而第十年同期该值为-1.256℃，升高0.214℃，低于-1.0℃的区域面积有所减少。90 5冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究（A）第2年1月1日路基温度场（B）第2年7月1日路基温度场ndnd(A)Roadbedtemperaturefield,Jan.1,2Year(B)Roadbedtemperaturefield,Jul.1,2Year（C）第10年1月1日路基温度场（D）第10年7月1日路基温度场thth(C)Roadbedtemperaturefield,Jan.1,10Year(D)Roadbedtemperaturefield,Jul.1,10Year图5.5普通路基温度场Fig.5.5Temperaturefieldofgeneralroadbeds91 重庆大学博士学位论文（A）第2年1月1日路基温度场（B）第2年7月1日路基温度场ndnd(A)Roadbedtemperaturefield,Jan.1,2Year(B)Roadbedtemperaturefield,Jul.1,2Year（C）第10年1月1日路基温度场（D）第10年7月1日路基温度场thth(C)Roadbedtemperaturefield,Jan.1,10Year(D)Roadbedtemperaturefield,Jul.1,10Year图5.6管内空气流速为0m/s时温度场Fig.5.6Temperaturefieldwith0m/sairvelocitywithinvents计算热流密度能够反映通风管的吸热、放热程度，从而揭示其降温机理。热流密度为正代表热量进入通风管，为负则代表热量流出。图5.7（A）、（C）可以看出第二年1月1日即通风管上冷、下热时，通风管低气温与下部填料存在较大温2差热量从下部填料流进，其最大热流密度约为3.325w/m，而管内气温受热后与上92 5冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究部填料温差很小，热量交换很少。第十年同期下部填料与通风管间的热流密度为23.319w/m。最大值出现位置在通风管中部。从图5.7（B）、（D）可以看出第二年7月1日即通风管上热、下冷时，热量从通风管流入下部填料，其最大热流密度约22为3.849w/m，而上部填料进入通风管的热流密度最大值为0.229w/m。第十年同2期，通风管与下部填料间热流密度最大值为3.842w/m，上部填料与通风管间热流密度也与第二年相差不大。（A）第2年1月1日通风管热流密度（B）第2年7月1日通风管热流密度ndnd(A)Heatfluxdensityinvents,Jan.1,2Year(B)Heatfluxdensityinvents,Jul.1,2Year（C）第10年1月1日通风管热流密度（D）第10年7月1日通风管热流密度thth(C)Heatfluxdensityinvents,Jan.1,10Year(D)Heatfluxdensityinvents,Jul.1,10Year图5.7管内空气不流动时通风管热流密度Fig.5.7Heatfluxdensityinventswithstagnantair93 重庆大学博士学位论文③管内风速0.1m/s管内风速0.1m/s时风速矢量图如图5.8所示，可以看出管内流速较均匀，空气从模型左端流进从右端流出。图5.8风速0.1m/s，通风管内流速矢量图Fig.5.8Velocityvectorsinventswithwindspeed0.1m/s（A）第2年1月1日路基温度场（B）第2年7月1日路基温度场ndnd(A)Roadbedtemperaturefield,Jan.1,2Year(B)Roadbedtemperaturefield,Jul.1,2Year94 5冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究（C）第10年1月1日路基温度场（D）第5年10月1日路基温度场thth(C)Roadbedtemperaturefield,Jan.1,10Year(D)Roadbedtemperaturefield,Oct.1,5Year图5.9风速0.1m/s时温度场Fig.5.9Temperaturefieldwithwindspeed0.1m/s（A）第2年1月1日通风管热流密度（B）第2年7月1日通风管热流密度ndnd(A)Heatfluxdensityinvents,Jan.1,2Year(B)Heatfluxdensityinvents,Jul.1,2Year温度场如图5.9所示。与上述两种工况不同，考虑风速后温度场呈不对称分布。从图5.9（A）、（C）可以看出，第二年1月1日粉质粘土层中最高温度为-1.004℃，95 重庆大学博士学位论文第十年同期该值为-0.855℃，升高0.145℃。从图5.9（B）、（D）可以看出，第二年7月1日粉质粘土层中最低温度为-2.403℃，第十年同期该值为-2.255℃，升高0.148℃。与上述两种工况相比，温度升幅最小。（C）第10年1月1日通风管热流密度（D）第10年7月1日通风管热流密度thth(C)Heatfluxdensityinvents,Jan.1,10Year(D)Heatfluxdensityinvents,Jul.1,10Year图5.10风速0.1m/s，通风管热流密度Fig.5.10Heatfluxdensityinventswithwindspeed0.1m/s风速0.1m/s时通风管热流密度如图5.10所示。从图5.10（A）、（C）可以看出2第二年1月1日热量从下部填料流入通风管，热流密度最大值为5.729w/m，出现2在靠近空气进口处，第十年同期该值为5.705w/m，略有下降。从图5.10（B）、（D）可以看出第二年7月1日从下部填料进入通风管的热量其最大热流密度为224.935w/m，出现位置靠近进口处，上部填料的热量进入通风管，其值大于1w/m。④管内风速0.2m/s管内风速0.2m/s时风速矢量图如图5.11所示。温度场如图5.12所示，温度场呈不对称分布。从图5.12（A）、（C）可以看出，第二年1月1日粉质粘土层中最高温度为-1.298℃，第十年同期该值为-1.156℃，升高0.142℃。从图5.12（B）、（D）可以看出，第二年7月1日粉质粘土层中最低温度为-2.565℃，第十年同期该值为-2.424℃，升高0.121℃。是四种工况中温度升幅最小的。96 5冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究图5.11风速0.2m/s，通风管内流速矢量图Fig.5.11Velocityvectorsinventswithwindspeed0.2m/s（A）第2年1月1日路基温度场（B）第2年7月1日路基温度场ndnd(A)Roadbedtemperaturefield,Jan.1,2Year(B)Roadbedtemperaturefield,Jul.1,2Year97 重庆大学博士学位论文（C）第10年1月1日路基温度场（D）第10年7月1日路基温度场thth(C)Roadbedtemperaturefield,Jan.1,10Year(D)Roadbedtemperaturefield,Jul.1,10Year图5.12风速0.2m/s时温度场Fig.5.12Temperaturefieldwithwindspeed0.2m/s风速0.2m/s时通风管热流密度如图5.13所示。从图5.13（A）、（C）可以看出2第二年1月1日热量从下部填料流入通风管的最大热流密度为6.788w/m，出现在2靠近空气进口处，第十年同期该值为6.759w/m。从图5.13（B）、（D）可以看出2第二年7月1日从下部填料进入通风管的热量其最大热流密度为5.831w/m，出现2位置靠近进口处，上部填料的热量进入通风管，其值在1.5w/m左右。（A）第2年1月1日通风管热流密度（B）第2年7月1日通风管热流密度ndnd(A)Heatfluxdensityinvents,Jan.1,2Year(B)Heatfluxdensityinvents,Jul.1,2Year98 5冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究（C）第10年1月1日通风管热流密度（D）第10年7月1日通风管热流密度thth(C)Heatfluxdensityinvents,Jan.1,10Year(D)Heatfluxdensityinvents,Jul.1,10Year图5.13风速0.2m/s，通风管热流密度Fig.5.13Heatfluxdensityinventswithwindspeed0.2m/s⑤通风管路基降温效果平均地温是衡量冻土工程温度的重要指标。提取各工况基底中心以下地温第二年及第十年数据绘制包络线，如图5.14示。对于普通路基（无通风管）第二年平均地温为-0.95℃，第十年其年平均地温为-0.67℃，上升了0.28℃；风速为0时，第二年年平均地温为-1.24℃，第十年年平均地温为-0.96℃，上升了0.28℃；风速为0.1m/s时，第二年的年平均地温为-1.26℃，第十年的年平均地温为-1.20℃，上升了0.06℃；而风速为0.2m/s时，其年平均地温始终保持在-1.30℃。对于基底中心地温，当采用普通路基形式时其第二年其最高温度为5.435℃，最低温度为-3.906℃，平均温度0.762℃，第十年其最高温度为5.725℃，最低温度为-3.595℃，平均温度1.066℃。最高温度、最低温度、平均温度都上升，分别升高0.290℃、0.311℃、0.304℃。当通风管管内空气不流动时，第二年其最高温度为2.825℃，最低温度为-3.560℃，平均温度-0.412℃，第十年其最高温度为3.361℃，最低温度为-3.124℃，平均温度0.056℃。其最高温度、最低温度、平均温度分别升高0.536℃、0.436℃、0.468℃，升高幅度大于普通路基。当通风管管内空气流速为0.1m/s时，第二年其最高温度为2.846℃，最低温度为-6.037℃，平均温度-1.857℃，第十年其最高温度为3.165℃，最低温度为-6.081℃，平均温度-1.538℃。其最高温度、最低温度、平均温度分别升高0.319℃、0.293℃、0.319℃。当通风管管内空气流速为0.2m/s时，第二年其最高温度为3.724℃，最低温度为-7.899℃，99 重庆大学博士学位论文平均温度-2.154℃，第十年其最高温度为4.185℃，最低温度为-7.516℃，平均温度-1.796℃。其最高温度、最低温度、平均温度分别升高0.461℃、0.383℃、0.358℃。表5.4通风管路基效果分析表Table5.4Resultofventilatedroadbeds基地中心地温管内风速年平均地温发展趋势最高温度平均温度最低温度第2年0.955.440.76-3.91普通路基0.28升温第10年0.675.721.07-3.60第2年-1.242.82-0.41-3.560m/s0.28升温第10年-0.963.360.063.12第2年-1.262.85-1.86-6.040.1m/m0.06升温第10年-1.203.17-1.54-6.08第2年-1.303.72-2.15-7.900.2m/s0升温第10年-1.304.18-1.80-7.52结果表明：消弱类断链防治措施通风管路基在本工程当中能有效阻止年平均地温上升，且管内风速是影响降温效果的重要因素之一，管内风速越大，其降温效果越佳。无通风管，第二年地温包络线无通风管，第十年地温包络线nd2-yeargroundtemperatureenvelopewithoutventductth10-yeargroundtemperatureenvelopewithoutventduct100 5冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究流速0m/s，第二年地温包络线流速0m/s，第十年地温包络线nd2-yeargroundtemperatureenvelopewithvelocity0m/sth10-yeargroundtemperatureenvelopewithvelocity0m/s流速0.1m/s，第二年地温包络线流速0.1m/s，第十年地温包络线nd2-yeargroundtemperatureenvelopewithvelocity0.1m/sth10-yeargroundtemperatureenvelopewithvelocity0.1m/s流速0.2m/s，第二年地温包络线流速0.2m/s，第十年地温包络线nd2-yeargroundtemperatureenvelopewithvelocity0.2m/sth10-yeargroundtemperatureenvelopewithvelocity0.2m/s图5.14各工况基底中心以下地温包络线Fig.5.14Groundtemperatureenvelopesbeneathcentralbasementsinvariousoperatingconditions101 重庆大学博士学位论文5.2.3通风管路基试验段实测分析为了验证通风管路基的作用机理，本文对铺设的通风管路基试验段的实测结果进行研究。①试验仪器布置图5.15测试元件平面布置Fig.5.15PlaneoftesterburyingpointsinXPS-platedroadbeds图5.16测试元件横向埋设位置图5.17测试元件横向埋设位置Fig.5.16HorizontaloftesterburyingpointsFig.5.17VerticaloftesterburyingpointsinXPS-platedroadbedsinXPS-platedroadbeds102 5冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究通风管路基断面共设7根横向观测管，每根观测电阻长18m，1点/m，每根19个电阻，引线长10m；路基断面温度纵向观测共设6个观测孔，分别为左坡脚、右坡脚、左路肩、右路肩、路中和天然孔，孔深均为15m，每根线布设21个温度[83]传感器。其中天然孔放到路基右边（左边路基与旧路路基只有约15m，距离过近会影响天然孔效果）。测试元件的平面布置及横向、竖向埋设见图5.15、图5.16、图5.17。②实测温度场变化规律分析[121]1）分析图5.18～图5.20：图5.18路基中心—天然地面-0.5m处地温随时间变化曲线Fig.5.18Groundtemperaturevariationcurveofhistory,-0.5mbetweenroadbedcenterandnaturalsurface图5.19左路肩—右路肩-0.5m处图5.20左坡脚—右坡脚-0.5m处地温随时间变化曲线地温随时间变化曲线Fig.5.19Groundtemperaturevariationcurveofhistory,-0.5mbetweenleftshoulderandrightshoulderFig.5.20Groundtemperaturevariationcurveofhistory,-0.5mbetweenleftslopefootandrightslopefoot103 重庆大学博士学位论文数据显示通风管路基断面的各点、各深度的年地温变化均近似呈正弦变化规律，热能在通风管路基病害链的路面外环境、路基结构本体和地基外环境中的传递规律相同，说明消弱类断链防治措施设置不是通过改变冻土区公路路基病害链中热能的传递方式而是通过改变能量大小来发挥作用的。[121][121]2）分析比较路中心断面（图5.21）和天然地基（图5.22）：图5.21通风管路基路中心地温随时间变化曲线Fig.5.21Groundtemperaturevariationcurveofhistory,roadbedcenterofvent-ductroadbed图5.22通风管路基天然地面地温随时间变化曲线Fig.5.22Groundtemperaturevariationcurveofhistory,naturalsurfaceofvent-ductroadbeda.路中心处年最高温度出现在7月路表（18.3℃），最低温度出现在12月路表（-14.9℃），全年温差33.2℃。天然地基年最高温度出现在7月地表（10.7℃），104 5冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究最低温度出现在12月路表（-16.3℃），全年温差26.9℃。说明修筑道路结构，加剧了地表气温的波动，影响了当地气候环境。b.高温季节路中心处各深度的温度低于路表温度，而天然地基路表温度变化幅度大，且-2.5m以上地层温度高于地表温度的情况时有发生。说明在高温季节，通风管路基的铺设降低了路基内部热量的年波动幅度，改善了路基温度场的平衡。[121][121]3）分析比较路中心断面（图5.21）和左右路肩断面（图5.23和图5.24）：图5.22通风管路基左路肩地温随时间变化曲线Fig.5.22Groundtemperaturevariationcurveofhistory,leftshoulderofvent-ductroadbed图5.24通风管路基右路肩地温随时间变化曲线Fig.5.24Groundtemperaturevariationcurveofhistory,rightshoulderofvent-ductroadbed105 重庆大学博士学位论文a.设置通风管路基中，热能向地中传递时，地温呈周期性变化，各个测点的全年温差随深度增加而减小，到某一深度时，路基地温年变化曲线将接近一条直线，土体处于热稳定状态。b.高温季节风速较低时的各位置各深度温度变化幅度较大，低温季节风速较大各位置各深度温度变化幅度较小，说明通风管路基风速越大，控温效果越好。4）对于埋设在通风管路基下表面、两个通风管之间的实测数据分析可得：通风管路基下表面路基中心地温在一定范围内变化平缓，变化幅度较通风管路基上[121]表面减小4～9℃，说明降温效果较明显。③实测结果与模拟计算结果的对比分析将图5.23与图5.14对比分析可见，铺设通风管后试验段实测与模拟结果均显示路基较深处地温持续升高，但年变化幅度明显减小。不同风速下，降温效果[122-125]存在差异，风速越大，降温效果越好。与现有研究成果的结论也基本相同。5.3本章小结本章考虑通风管内不同风速的影响，建立了通风管路基温度场与流场耦合的计算模型。比较了管内空气流速为0m/s、0.1m/s、0.2m/s时通风管降温效果。并以青藏高原两段典型公路工程通风管路基试验路段为依托，通过现场实测及流场与温度场耦合计算研究了通风管路基与普通路基的温度场特征。得到的主要结论如下：①以通风管路基为代表的冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理：1）通风管路基各深度、地基及路侧天然土体的年地温变化均近似呈正弦变化规律，说明热能在通风管路基病害链的外环境、路基结构本体和地基中的传递规律相同，消弱类断链防治措施通风管路基的设置不是通过改变冻土区公路路基病害链中热能的传递方式而是通过改变能量大小来发挥作用的。普通路基温度分布较均匀，呈对称分布。当通风管内空气不流动时起到了保温隔热作用，通风管上部与下部温差大。当管内空气流动时，温度场分布不对称。2）风速越大通风管热交换作用越明显。空气不流动时以及流速为0.1m/s、0.2m/s时，管壁最大热流密度分别在3.325w/m2~3.842w/m2、4.935~5.729w/m2、5.831~6.788w/m2间。3）随着平均气温的升高，采取被动防冻措施（普通路基和管内空气不流动）年平均地温将升高0.28℃；风速为0.1m/s时，平均地温将升高0.06℃；风速为0.2m/s时，年平均地温基本维持不变。表明风速较大时通风管起到了主动降温效果，但106 5冻土区路基病害消弱类断链防治技术的作用机理研究风速越大基底中心地温波动幅度越大。②通风管路基流场与温度场耦合模型用于冻土区公路路基消弱类断链防治技术的机理分析是可行的，可以用于类似工况的模拟计算。其计算结果与目前未考虑管内风速影响的几种研究成果也相近，说明可以较好的指导类似工程设计。但由于青藏高原空气密度小（如在4000m的空气密度大致为地面的67%），所以有效风能密度也较低，这一现象未在建模时考虑，产生一定差异。③将本章研究与第四章研究结果进行对比，发现通风管路基温度场与XPS板隔热层路基温度场特性相似，但二者相同测点的温差为-0.3℃，XPS板的隔热效果优于通风管路基。升温阶段，通风管路基的升温速率缓慢，说明其冷却效果较XPS板隔热层好，所以将通风管铺设于接近地基的位置能发挥更好的效果。107 重庆大学博士学位论文108 6冻土区路基边坡病害链链源特征及稳定性分析6冻土区路基边坡病害链链源特征及稳定性分析如图2.6、2.7，在冻土区公路路基病害链中，路基本体与边坡病害的链式特征不完全相同，二者可以看做是路基病害链中两个不同的分支。同时，二者也因为互为对方的外环境而相互影响。二者之间的影响关系非常复杂，但基于路基整体稳定性的工程实际要求，可以简化为两者之间的力学平衡问题。这样一来，冻土区公路路基边坡病害链的防治问题就可以设定为在冻土区路基病害链主要链源的影响下，路基边坡的稳定性分析问题。水和热能仍然是冻土区路基边坡病害链的主要链源，由于青藏高原地处地震带，所以本章将水、热能和地震三个因素作为边坡病害链的主要链源，针对高温-高含冰量粘土边坡这一最不利情况进行研究。而边坡稳定性分析的方法很多，本章通过实例对比分析几种方法的计算精度，探讨冻土区高温-高含冰量粘土边坡病害防治的较为合理的方法。6.1冻土区路基边坡病害链的链源特征冻土区公路与普通公路的路基边坡病害的表现特征都是边坡失稳。但由于冻土中冰和矿物颗粒胶结后具有较高的抗剪、抗拉强度，该强度大小主要与温度、含水率及矿物属性等有关。一般而言，温度越低其强度越高，冻结状态下的粘土具有足够的粘聚力能够保障边坡的稳定。融化状态下粘土的抗剪强度很低容易导致边坡失稳。所以，含水量和温度变化是冻土区一般情况下引起路基边坡稳定状态变化的主要因素。6.1.1水对边坡土体物理、力学特征的影响确定土的强度方法有直接剪切试验、三轴压缩试验等，与常规的直接剪切试验、三轴压缩试验相比，冻土抗剪强度试验增加了温控系统，其操作较繁琐、试验费用高。因此冻土的直剪、三轴试验成果很少，目前冻土的强度试验主要集中[132-133]于抗压强度试验。国内外学者取得了丰硕的成果。其中马小杰通过旁压试[134]验、蠕变试验得到了单轴压缩蠕变方程，李栋伟通过试验验证了冻土粘土的内摩擦角φ小于0.5。通过冻土变角剪切试验仪研究了-5℃、-10℃、-20℃下粘聚力c与单轴压缩强度σs，试验结果及经验公式换算值如表6.1所示，可以看出经验值与实测值相差较小，表明用冻结粘土的单轴压缩强度值换算其粘聚力具有较高的精度。109 重庆大学博士学位论文σ=−0.17580.5780Tω=0.40sσ=−0.24180.3988Tω=0.60（6.1）sσω=−0.35790.3633T=0.90sc=0.5σ（6.2）s表6.1冻结粘土经验取值与实测值的比较Table6.1Comparisonofempiricalvaluesandmeasuredvaluesoffrozenclay单轴压缩强度σs(mPa)粘聚力经验值(mPa)粘聚力实测值(mPa)误差(mPa)1.8300.9150.8940.0213.4701.7351.7250.0104.9802.4902.4870.0032.0101.0050.9960.0093.6201.8101.7380.0725.1402.5702.588-0.018根据式（6.1）、（6.2）得到不同含水率的冻结粘土在-0.5℃、-1.5℃、-2.5℃时粘聚力c，如表6.2所示，可以看出随着温度的升高冻结粘土粘聚力明显下降，含水率越低粘聚力下降幅度越大。表6.2不同含水率、温度下冻结粘土的粘聚力Table6.2Frozen-claycohesionswithdifferentmoisturecontentsandtemperatures温度-0.5-1.5-2.5含水率0.4232.4kPa521.4kPa810.4kPa0.6220.6kPa420.0kPa619.4kPa0.9269.8kPa451.4kPa633.0kPa根据陈希哲对我国主要粘土地区粘土的物理及力学特征汇总资料，温度高于0℃时粘土强度按表6.3取值。可以看出，与冻结状态相比正温时粘土的粘聚力大幅下降，可能导致边坡失稳。从强度参数看含水率越低越有利于边坡的稳定。110 6冻土区路基边坡病害链链源特征及稳定性分析表6.3正温时不同含水率下粘土强度参数Table6.3Frozen-claystrengthparameterswithdifferentmoisturecontentsabove0℃温度粘聚力内摩擦角含水率0.415.0kPa10.00.65.0kPa12.00.94.0kPa2.0含水率对粘土的密度也有较明显的影响，坡顶处粘土密度越大越不利于边坡的稳定。相同含水率的粘土在冻结状态和融化状态下的密度也有差别。水冻结成冰体积膨胀约9%导致粘土密度降低。取粘性土颗粒的比重为2.6，换算得到不同含水率冻结及融化状态下粘土密度如表6.4所示。含水率越高状态改变后密度相差越大。从密度看含水率越高越有利于边坡的稳定。表6.4粘土密度取值Table6.4Claydensityvalues状态冻结状态融化状态含水率330.41706kg/m1784kg/m330.61625kg/m1540kg/m330.91391kg/m1479kg/m6.1.2高含水（冰）量粘土边坡温度场分析高含冰量粘土边坡的稳定性受含水率及温度的影响很大。含水率不同，冻结或融化状态下粘土的密度、抗剪强度相差很大。其温度场分析是非线性的，体现在融化状态与冻结状态下导热系数、密度及热容有差异，并且由于含水（冰）量高，水-冰相变不能忽略。按照最不利原则，做以下假定：1）假定边坡全部由高含冰量粘土组成。2）假定粘土的导热系数、密度及热容发生变化的温度区间为[-1℃，1℃]。在其它温度区间，这些参数不随温度变化。实际上，上述物理参数是温度的函数，但考虑到水-冰在0℃附近相变最剧烈故做此假定。111 重庆大学博士学位论文3）假定边坡临空面的年温度按正弦变化且各处等温线厚度一致。受几何边界的影响坡脚、坡顶处等温线厚度存在较小的差异，考虑到实际边坡模型尺寸大、划分网格多、分线性计算速度慢，故做此假定。4）仅考虑温度场对力场的影响，忽略力场对温度场的影响。温度场对力场的影响大，反映在粘土强度随温度的变化上，而力场对温度场的影响较小。不同温度下粘土的强度参数差异很大，进行力学分析前先计算分析其温度场。以大型有限元软件ANSYS为平台，选用PLANE55二维温度单元，具体计算理论[129-130]可见相关文献。粘土是由土颗粒、水及冰组成的多相材料，其等效导热系数λ、等效热容C可分别按式（6.3）、（6.4）计算。eeλ=()()()λλλθθswθ（6.3）eswiiρρρCCCθs++θθwisswwiiC=（6.4）eρ式中：λ、λ、λ分别表示土颗粒、水、冰的导热系数；ρ、ρ、ρ、ρ分swiswi别表示土颗粒、水、冰以及粘土的密度；C、C、C分别表示土颗粒、水、冰的swi3热容。计算中取ρ为2600kg/m，λ取0.50W/(m•K)，C取0.71J/(kg•K)。sss高含水（冰）粘土边坡温度场分析的水—冰相变不能忽略。系统能量的变化可能导致的物质的原子结构发生的改变称为相变。通常的相变包括凝固、融化和汽化。当物质发生相变时，温度保持不变，在物质相变过程中所需要的热量称为潜热。求解相变问题常用的两种方法是焓法和显热容法。焓在工程热力学中是个重要的物理量。其性质体现以下几个方面：焓是状态函数，具有能量的量纲；焓的量值与质量的量有关，具有可加性；和热力学一样，焓的绝对值无法确定，但是可以确定两个不同状态下焓的变化量ΔH，ΔH可正可负；对于定量的某种物质，若不考虑其它因素则吸热时焓值增加，放热时焓值减少。焓法是在计算中引入焓来考虑物质的相变过程。而显热容法是在相变温度区间中将潜热处理为等效导热系数，目前在相变分析中被广泛采用。考虑相变的导热微分方程如式（6.5）所示：∂θ∂TLρρLC+=∇⋅(k∇T)（6.5）Lefefef∂∂tt式中：L为潜热；ρ、ρ分别表示液体密度和孔隙介质的有效密度；C、kLefefef分别代表有效热容、有效导热系数。有效密度、有效热容、有效导热系数一般按各介质的体积比例确定。作如下变换：∂θ∂T∂θ∂TLL=（6.6）∂tTTt∂∂∂则式（6.5）可变为：112 6冻土区路基边坡病害链链源特征及稳定性分析ρ∂θ∂TLLρ()LC+=∇⋅(k∇T)（6.7）efefefρ∂∂Ttefρ∂θLL称L+C为显热容。efρ∂Tef本文采用显热容法计算水—冰相变。由于不同温度区间热学属性差异大，为确保计算收敛常采用较小的空间步长及时间步长，计算中空间步长取0.1m、时间步长取360s。ANSYS中温度场分析包括稳态分析和瞬态分析两大类。在瞬态分析中，往往需要先假定或计算出初始温度。本文以稳态分析的结果作为瞬态分析的初始温度，其中边界条件为平均地温-3℃，地表温度取-1.5℃。关闭瞬态分析中的时间积分并设置一个很短的时间步长，便可得到稳态下的地温分布。稳态温度场仅与导热系数有关，与比热及密度无关。再改变地表温度边界，施加式（6.8）的温度荷载，式中时间单位为s。tT=−1.5sin(+⋅2π+π)（6.8）31104000含水率为40%、60%、90%三种工况下，粘土地层温度计算结果如图6.1所示。当不考虑水-冰相变时，温度包络线形状非常接近，表明其受含水率的影响很小，冻融深度均为1.8m。考虑相变后，温度沿地层深度变化速率加快，含水率为40%时，冻融深度为1.3m，含水率为60%时，冻融深度为1.1m，含水率为90%时，冻融深度为1.0m，表明含水率越高粘土地层的冻融深度越浅。为研究考虑相变与否含水率对温度计算的影响，提取0.5m深处地温计算结果如图6.2所示。可以看出：不考虑相变时，温度曲线几乎重合，表明不考虑相变时含水率对温度影响较小，其原因在于与稳态计算温度场仅取决于导热系数不同，瞬态温度分析取决于热扩散系数，含水率越高密度越小、导热系数越大、热容越大，但导热系数与密度和热容乘积之比即热扩散系数变化较小；不考虑相变时，温度几乎呈正弦波动，而考虑相变后温度曲线在0℃附近变化速率减缓，含水率越高速率减缓越明显，其原因在于考虑相变后，冰融化成水需要吸收大量的热从而减缓了其融化速度，相对应的，水冻结成冰时释放大量的热从而减缓了其冻结速度；考虑相变后温度振幅减小，含水率越高降幅越大，这是因为含水率越高融化需要的热量越多，在热量大致相同的情况下，含水率越高其温度升高幅度越小；考虑相变与否，对温度曲线正温段影响较明显，而各曲线负温度段几乎重合，这是因为下部土体均处于负温，当上部土体出现正温时便伴随着相变反应，而一旦上部土体进入负温段，相变反应结束；各曲线几乎同时达到最高或最低温度，表明是否考虑相变以及含水率高低对温度波动的相位影响很小。113 重庆大学博士学位论文A含水率40%，考虑相变B含水率40%，不考虑相变A40%moisturecontent,transformationconsideredB40%moisturecontent,transformationneglectedC含水率60%，考虑相变D含水率60%，不考虑相变C60%moisturecontent,transformationconsideredD60%moisturecontent,transformationneglected114 6冻土区路基边坡病害链链源特征及稳定性分析E含水率90%，考虑相变F含水率90%，不考虑相变E90%moisturecontent,transformationconsideredF90%moisturecontent,transformationneglected图6.1不同含水率工况下温度包络线Fig.6.1Temperatureenvelopewithdifferentmoisturecontentsandoperatingconditions图6.2不同含水率工况下，深0.5m处地温变化曲线Fig.6.2Groundtemperaturevariationcurvewithdifferentmoisturecontentsandoperatingconditions,depth0.5m115 重庆大学博士学位论文根据计算结果，选择出现最大冻融深度的温度作为边坡稳定性分析的依据。当含水率为40%时，正温深度为1.3m，0℃~-1℃深度为0.6m，-1℃~-2℃深度为0.8m；当含水率为60%时，正温深度为1.1m，0℃~-1℃深度为0.8m，-1℃~-2℃深度为1.0m；当含水率为90%时，正温深度为1.0m，0℃~-1℃深度为0.6m，-1℃~-2℃深度为1.0m。0℃~-1℃、-1℃~-2℃、-2℃~-3℃区域强度参数分别按-0.5℃、-1.5℃、-2.5℃取值。6.2冻土区路基边坡病害链稳定性的分析冻土区公路与普通公路的路基边坡病害的表现特征都是边坡失稳。但由于冻土中冰和矿物颗粒胶结后具有较高的抗剪、抗拉强度，该强度大小主要与温度、含水率及矿物属性等有关。一般而言，影响边坡稳定性的因素主要有四个方面：结构面的特征、边坡几何形状、岩土体力学性质和外力作用，边坡工程稳定性分[135]析的方法有力学计算和数值分析两大类。冻土区边坡稳定性的分析，从边坡失[136-137][138-139][140]稳类型、边坡变形观测计算、稳定性评价等几个方面已经有不少研究成果产生.但是由于冻土边坡的复杂性，目前稳定性评价的准确性与实际仍有差距。6.2.1极限平衡法与数值分析法的比较为确定冻结粘土边坡稳定性计算方法，将极限平衡法和基于FLAC3D的数值分析进行对比。某粘性土质边坡计算模型如图6.3所示。基于FLAC3D的强度折减法计算结果如图6.4所示。模型均采用六面体单元，一般而言与四面体单元相比六面体单元具有计算精度高、容易收敛等特征。模型两侧及底部采用位移约束，破坏以计算不收敛为标[93.94]准。可以看出安全系数(Fos)为1.11，潜在滑裂面大致呈圆弧形，沿坡顶中部从坡脚处滑出。临界状态下最大剪切应变增量及最大节点速度均发生在坡脚处，呈现牵引式滑坡特征。ϕ=20°c=150.kPa3ρ=2000kg/m图6.3边坡计算模型116 6冻土区路基边坡病害链链源特征及稳定性分析Fig.6.3ComputationmodelofslopesFLAC3D3.00Step14625ModelPerspective21:44:41SunOct192014Center:Rotation:X:1.000e+001X:0.000Y:2.500e-001Y:0.000Z:6.500e+000Z:0.000Dist:5.555e+001Mag.:1Ang.:22.500ContourofShearStrainIncrementMagfac=0.000e+000GradientCalculation-9.3819e-006to0.0000e+0000.0000e+000to2.0000e-0032.0000e-003to4.0000e-0034.0000e-003to6.0000e-0036.0000e-003to8.0000e-0038.0000e-003to1.0000e-0021.0000e-002to1.2000e-0021.2000e-002to1.4000e-0021.4000e-002to1.6000e-0021.6000e-002to1.6672e-002Interval=2.0e-003VelocityMaximum=5.926e-006LinestyleFoSFoSvalueis:1.11ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSA图6.4强度折减法计算出的潜在滑裂面Fig.6.4Potentialslipsurfacecalculatedthroughstrengthreduction圆弧法极限平衡分析采用瑞典条分法、简化Bishop法以及Janbu法三种方法。三者计算得出潜在滑裂面位移非常相近，如图6.5所示。可以看出，极限平衡法与FLAC3D计算得出的潜在滑裂面位置及形状相似。瑞典条分法、简化Bishop法以及Janbu法计算出的安全系数分别为1.059、1.094、1.097与FALC3D计算结果相差很小，尤其是简化Bishop法以及Janbu法，表明极限平衡法与数值分析法具有一致的计算效果。由于瑞典条分法忽略了土条间的相互作用，其计算误差稍大，而数值分析法分析较复杂并且在计算模型几何尺寸改变后需要重新建模，而Janbu法考虑了土条间水平及竖向的相互作用其计算精度高，故最终选择Janbu法进行冻结粘土边坡的稳定性分析。瑞典条分法、简化Bishop法以及Janbu法土条的划分及各土条的计算结果分别如表6.5、表6.6、表6.7所示。117 重庆大学博士学位论文图6.5极限平衡法计算出潜在滑裂面(瑞典条分法)Fig.6.5Potentialslipsurfacecalculatedthroughlimitingequilibrium(Swedishslicemethod)表6.5瑞典条分法计算信息Table6.5ComputingInformationofSwedishSliceMethodix(m)l(m)α(°)c(kPa)φ(°)W(kN)N(kN)T(kN)10.000.912.0015.020.07.987.9715.6320.910.916.0215.020.023.3423.2120.9431.820.9210.0715.020.037.5336.9525.7942.730.9414.1815.020.050.5048.9730.1253.640.9618.3515.020.062.2059.0433.8764.550.9922.6415.020.072.5466.9536.9875.451.0227.0615.020.081.4072.4939.3986.361.0731.6615.020.088.6275.4341.0797.271.1336.5115.020.093.9375.5041.99108.181.2241.6915.020.096.9872.4242.16119.091.3447.3315.020.097.1865.8741.661210.001.4953.5615.020.083.1649.3938.061310.881.8160.8415.020.058.6228.5735.521411.772.6870.7515.020.022.327.3640.54表6.6简化Bishop法计算信息Table6.6ComputingInformationofSimplifiedBishopMethodix(m)l(m)α(°)c(kPa)φ(°)W(kN)N(kN)T(kN)Er(kN)10.000.915.5515.020.07.466.0814.5513.89118 6冻土区路基边坡病害链链源特征及稳定性分析ix(m)l(m)α(°)c(kPa)φ(°)W(kN)N(kN)T(kN)Er(kN)20.910.929.0515.020.021.8719.1218.9929.6331.820.9312.5815.020.035.2430.9623.0745.4142.730.9516.1615.020.047.5341.7026.8559.6053.640.9719.8015.020.058.6951.4430.3770.7464.550.9923.5415.020.068.6460.2233.6377.5375.451.0227.3815.020.077.2968.0436.6878.8186.361.0631.3615.020.084.5074.8839.5173.5997.271.1235.5215.020.090.0980.6142.1461.06108.181.1939.9015.020.093.8185.0444.5540.68119.091.2844.6015.020.095.2887.7646.7112.321210.001.2249.3515.020.076.0170.0640.03-14.751310.791.3654.2715.020.059.8952.3936.09-36.211411.591.5859.8815.020.040.2427.1730.76-44.271512.382.0166.7415.020.014.680.0027.60-33.37表6.7Janbu法计算信息Table6.7ComputingInformationofJanbuMethodix(m)l(m)α(°)c(kPa)φ(°)W(kN)N(kN)T(kN)Er(kN)Xr(kN)10.000.915.5515.020.07.469.9715.8014.763.9920.910.929.0515.020.021.8727.2721.6431.8512.4531.820.9312.5815.020.035.2438.1925.4148.3320.0242.730.9516.1615.020.047.5346.4228.3562.6524.9753.640.9719.8015.020.058.6952.5430.6673.6926.1164.550.9923.5415.020.068.6457.0232.4980.7022.7275.451.0227.3815.020.077.2960.2434.0083.1914.5586.361.0631.3615.020.084.5062.5935.3480.801.8997.271.1235.5215.020.090.0964.4936.6873.19-14.41108.181.1939.9015.020.093.8166.4538.2759.92-32.70119.091.2844.6015.020.095.2869.2840.4640.08-50.241210.001.2249.3515.020.076.0168.8839.5413.58-51.381310.791.3654.2715.020.059.8986.7547.40-29.17-22.131411.591.5859.8815.020.040.2469.8244.83-67.0711.451512.382.0166.7415.020.014.680.0027.53-56.190.00119 重庆大学博士学位论文极限平衡分析中x为水平方向，y为竖直方向，坐标原点在坡脚处。表6.5、表6.6、表6.7中各符号的物理意义是：i为土条编号；x、l分别为土条起始位置及土条底部长度，单位m；α为土条底部倾角(度)；c、φ是土条的强度参数；W是土条重量；N、T分别表示土条底部法向及切向力，单位kN；Er、Xr分别为土条右侧法向及切向力。6.2.2自然状态下边坡稳定性分析青藏公路某高温-高含冰量粘土高边坡断面如图6.6所示，采用Janbu法分析其稳定性，土条宽度取0.5m。各工况下边坡潜在滑裂面一致，如图6.7所示，红色条分区域即为潜在滑动区域，可以看出，潜在滑裂面从坡顶沿冻融交界面贯通至。计算得到含水率为40%时其稳定系数为1.140，含水率为60%时其稳定系数为0.605，含水率为90%时其稳定系数为0.534，均不满足规范中关于二级公路路堑边坡安全系数正常工况下不低于1.15。图6.6边坡几何模型图6.7边坡潜在滑裂面示意图Fig.6.6GeometricmodelsofslopesFig.6.7Potentialslipsurfaceofslopes具体计算结果如表6.8、表6.9、表6.10所示。表6.8含水率40%，正常工况下计算结果Table6.8Computingresultsinnormaloperatingconditions,40%moisturecontentix(m)l(m)α(°)c(kPa)φ(°)W(kN)N(kN)T(kN)Er(kN)Xr(kN)114.590.8253.3015.010.04.230.0110.746.414.39215.070.8755.9215.010.012.397.5412.627.246.68315.560.9458.7215.010.019.903.3012.8711.10-0.50120 6冻土区路基边坡病害链链源特征及稳定性分析ix(m)l(m)α(°)c(kPa)φ(°)W(kN)N(kN)T(kN)Er(kN)Xr(kN)416.051.0361.7715.010.026.600.0013.5717.52-15.97516.541.1665.1615.010.032.210.0015.2823.93-36.53617.021.3769.0815.010.036.223.5818.5327.20-54.16717.511.7673.9215.010.037.4655.8731.82-17.67-45.57818.004.3183.2015.010.019.0530.4861.44-40.650.00表6.9含水率60%，正常工况下计算结果Table6.9Computingresultsinnormaloperatingconditions,60%moisturecontentix(m)l(m)α(°)c(kPa)φ(°)W(kN)N(kN)T(kN)Er(kN)Xr(kN)114.270.7854.695.012.03.181.486.972.823.36214.720.8357.205.012.09.325.568.842.944.49315.170.9059.915.012.014.931.908.115.35-2.47415.620.9962.855.012.019.880.008.179.08-16.26516.071.1266.135.012.023.950.009.2212.81-33.72616.521.3269.925.012.026.724.2012.3413.10-47.40716.981.7074.625.012.027.2139.1227.81-17.24-37.43817.434.0783.515.012.017.4246.3649.92-57.660.00表6.10含水率90%，正常工况下计算结果Table6.10Computingresultsinnormaloperatingconditions,90%moisturecontentix(m)l(m)α(°)c(kPa)φ(°)W(kN)N(kN)T(kN)Er(kN)Xr(kN)114.430.8456.494.02.02.930.236.343.312.49214.900.9159.254.02.08.513.887.093.602.05315.361.0062.274.02.013.460.007.517.09-5.76415.831.1365.624.02.017.570.008.4610.59-18.70516.291.3369.494.02.020.440.009.9714.08-31.00616.761.7274.304.02.021.1441.5115.62-21.65-25.86717.234.1383.374.02.012.0339.7333.53-57.250.006.2.3地震作用下边坡稳定性分析青藏公路途径地震高发区域，考虑地震作用分析其边坡稳定性具有现实意义[141]。地震震级作为衡量震源释放出能量大小的一种量度，地震震级每增加一级，能量约增加32倍。震级表示地震本身强度大小的等级，每次地震的震级只有一个。目前已知的最大震级为8.9级，对此理论上的解释是8.9级地震释放的能量已经超过了岩石的极限强度。6级地震与最早的原子弹爆炸所释放的能量相当，而7~8级121 重庆大学博士学位论文地震则相当于氢弹爆炸。一般而言当震源深度较浅时7级以上的地震会造成很大的破坏。6级以上的地震能量、震级及分类如表6.11所示。地震烈度是考虑了地表影响的地震破坏强度衡量指标，地震只有一个震级却有多个地震烈度。除了受震级、震源深度、距震中远近的影响外，地震烈度还受地形地势的影响，一般而言山脚地震烈度比山顶地震烈度低。“地震烈度表”可作为确定各地区的地震烈度的依据。“地震烈度表”的制定考虑了地震最大加速度、人的感觉、建筑物损坏情况等因素。绝大多数国家将地震烈度划分为12级，日本将地震烈度分为0~7级共8个等级。对于确定的地点，震级和烈度两者大致有对应关系。我国根据地震资料，统计出多发性的浅源地震震级与震中烈度的近似关系如表6.12所示。而基本烈度则不仅考虑了当地的地形、地质条件，而且考虑了历史地震情况以及将来发生的概率。将来50年内可能遭遇超载概率为10%的地震烈度，称为基本烈度。表6.11地震震级、能量与分类Table6.11Earthquakescales,energy,andclassifications震级6788.5能量/J6.3e10132.0e10156.3e10163.6e1017分类中地震大地震表6.12地震震级、能量与分类Table6.12Earthquakescales,energy,andclassifications震中烈度6789101112震级4.95.56.16.77.37.98.5公路工程抗震规范(JTGB02-2013)指出地震力仅考虑水平地震作用，大小按式（6.9）计算。EC=CKGα（6.9）siizhisi式中：E为第i个土条的水平地震作用力；C地震作用重要性系数，一般取sii1.0；C为地震作用综合系数，一般取0.25；K为水平地震系数，如表6.13所示；zhα为水平地震荷载沿高度的分布系数；G为第i个土条的重力。isi表6.13水平地震系数KhTable6.13HorizontalearthquakecoefficientKh基本烈度(度)789水平地震系数0.10.20.4考虑7级地震，计算含水率40%、60%、90%三种工况下潜在滑裂面及其安全122 6冻土区路基边坡病害链链源特征及稳定性分析系数。考虑地震作用后潜在滑裂面与正常工况下基本一致。计算结果分别如表6.14、表6.15、表6.16所示，表中Q表示自重产生的水平地震力。安全系数分别为1.113、0.578、0.503。含水率为60%、90%两种工况不满足规范中关于二级公路路堑边坡安全系数非正常工况下不低于1.02的标准。表6.14含水率40%，7级地震工况下计算结果Table6.14ComputingresultsinScale-7earthquake,40%moisturecontentix(m)l(m)α(°)c(kPa)φ(°)W(kN)N(kN)T(kN)Er(kN)Xr(kN)Q(kN)114.590.8253.3015.010.04.232.2111.354.906.200.11215.070.8755.9215.010.012.398.9013.144.599.680.31315.560.9458.7215.010.019.900.0012.6610.670.150.50416.051.0361.7715.010.026.600.0013.9016.58-20.740.67516.541.1665.1615.010.032.210.0015.6622.35-48.600.81617.021.3769.0815.010.036.220.0018.4128.02-72.410.91717.511.7673.9215.010.037.4662.3833.63-23.55-60.280.94818.004.3183.2015.010.019.0578.4070.54-93.520.000.48表6.15含水率60%，7级地震工况下计算结果Table6.15ComputingresultsinScale-7earthquake,60%moisturecontentix(m)l(m)α(°)c(kPa)φ(°)W(kN)N(kN)T(kN)Er(kN)Xr(kN)Q(kN)114.270.7854.695.012.03.181.207.203.113.390.08214.720.8357.215.012.09.315.729.323.115.010.23315.170.9059.915.012.014.922.848.844.71-0.830.37415.620.9962.865.012.019.860.108.608.05-13.000.50516.071.1266.145.012.023.930.009.6611.36-28.580.60616.521.3169.925.012.026.695.5013.4110.13-40.800.67716.981.7074.635.012.027.1835.6627.86-17.54-31.660.68817.434.0783.515.012.017.3929.3246.03-41.910.000.43表6.16含水率90%，7级地震工况下计算结果Table6.16ComputingresultsinScale-7earthquake,90%moisturecontentix(m)l(m)α(°)c(kPa)φ(°)W(kN)N(kN)T(kN)Er(kN)Xr(kN)Q(kN)114.390.8656.044.02.03.150.306.853.502.710.08214.860.9358.844.02.09.154.327.673.552.360.23315.341.0261.894.02.014.490.008.107.00-5.910.36123 重庆大学博士学位论文ix(m)l(m)α(°)c(kPa)φ(°)W(kN)N(kN)T(kN)Er(kN)Xr(kN)Q(kN)415.821.1565.294.02.018.950.009.1310.34-19.820.47516.301.3569.224.02.022.110.0010.7613.61-33.430.55616.781.7574.094.02.023.0140.9016.76-21.70-29.110.58717.264.1983.294.02.013.6451.7436.95-69.120.000.346.3本章小结本章计算了含水率为40%、60%、90%三种工况下高含冰量粘土地层温度场及边坡稳定性，主要研究结论如下：①利用有限元计算了考虑水—冰相变的高含冰量粘土地层温度场。含水率越高，粘土地层冻融深度越浅，含水率为40%、60%、90%时，冻融深度分别为1.3m、1.1m、1.0m。②通过实例对比分析了瑞典条分法、简化Bishop法、Janbu法和数值分析中强度折减法的计算精度。由于Janbu法考虑了土条间的水平及竖向作用力，其计算结果和强度折减法最接近。③结合温度场结算结果，采用Janbu法计算了含水率为40%、60%、90%时正常工况及7级地震工况下的边坡安全系数。含水率越高安全系数越小，边坡越不稳定，正常工况下安全系数均不满足规范要求124 致谢7结论与展望7.1主要结论本文以构建公路病害的“防、诊、治、评”体系为目标，以冻土区公路路基病害防治机制与技术方法为研究对象，运用“链式理论”，依托“青藏公路格尔木至拉萨段改建完善工程”和“青康公路共结至玉树段改扩建工程”两个工程实例，研究冻土区公路路基病害病因的致病机理，采用“数值模拟”结合“现场试验”，针对“XPS板隔热层”和“通风管”两种冻土区公路路基病害典型防治技术的作用机理展开研究，以期为冻土区公路病害的防治探索一个的“防、诊、治、评”体系的雏形。本文以国家自然科学基金项目“基于灾变链式理论的多种灾害演化规律探索”(项目批准号：50879097)和教育部长江学者和创新团队发展计划项目“山区岩土工程”（项目批准号：IRT1045）为依托，在路基病害链式规律理论分析的基础上、研究断链防治的机制与途径，利用数值模拟和现场试验，对冻土区公路路基本体病害链两类断链防治技术的作用机理和高含冰量路基边坡病害链的链源特征等问题进行了全面深入的研究，取得了一些成果和认识：①通过对公路及其病害特征的分析表明，公路路基病害在演化过程中具有明显的链式规律，公路单一或多个病害的形成、转化、分解、合成、耦合，直到造成破坏和损失等过程构成了“病害链”。物质和能量（荷载等）通过聚集、传输与转换构成了病害之间和内部作用结构的耦合与嵌套关系。在病害形成过程中，表现出不同形式的破坏作用，同时也为破坏力的度量提供了基础条件。公路路基病害链式效应特征为“断链防治”创造了可能。路基病害在产生之前、初期、中期和晚期，采取有效的措施阻止、切断或消弱病害链中物质和能量的进入与传递，即为断链防治原理。在工程实施过程中，采用阻止、切断和消弱物质、能量在病害链中的进入及传递的技术措施可以分为阻止类、隔断类和消弱类三种。②通过对冻土区公路路基病害链特征的分析表明，进入或在路基病害链中传递的主要“链源”包括机械能（车辆荷载），辐射能（主要是外因中的太阳光辐射）、热能（气候变化导致的热量聚集）和水（冰）。冻土区公路路基病害链的断链防治的途径有：改变链源或外环境；改变病害系统与外环境的作用关系；改变病害内部响应状态；改变病害链的传递途径和治理病害链中的单一病害等六种机制。水、辐射能和热能是导致冻土区公路路基病害的主要链源，阻止、切断和消弱辐射能（光能）和热能的传递，是防治冻土区公路路基病害的关键。③依据路基病害断链防治原理，将现在的冻土区公路路基病害链断链防治技125 重庆大学博士学位论文术分为阻止类、隔断类、消弱类和复合类四种类型。1）阻止类：设置在公路结构本体外，阻止太阳辐射能，路基表面热能等链源进入路基的技术措施。包括遮阳板路基和在路基表面或边坡面涂刷反射油漆，或铺设白色的碎石等，修筑遮阳避雨棚等调节路基表面热辐射条件的技术措施。2）隔断类：设置在公路结构本体内，切断热能进入冻土层的途径。包括保温层路基和堆石体路基。3）消弱类：设置在公路结构本体表面或内部，通过各种形式的气体、液体流动，减弱链源（热能）或改变链源（热能）传递途径，将病害链中的病源导出系统结构，降低温度。有通风管路基、碎石护坡路基、热棒路基、硅藻土护坡路基、热桩（基础）、架空通风基础（旱桥、房屋）、碎石基底路基。4）复合类：按照不同措施的优缺点采用组合式路基进行综合处理。④沥青路面是冻土区路基病害链的外环境之一，也是主要链源—热能进入病害链的关键途径。本文结合监测数据分析了冻土地区沥青路面温度变化特征并提出了预测方法。其变化特征如下：1)沥青路面温度变化剧烈，日温差在20℃左右。2)沥青路面最高、最低温度出现时刻的规律性明显。3)沥青路面温度在日最高温度出现时刻的前后各两个小时内温度急剧地升高、降低。4)24小时内沥青路面温度可以分为升温和降温两个阶段。5)理论分析可近似认为沥青路面日温度按正弦函数变化。利用BP神经网络及ARMA模型对沥青路面温度进行了预测。BP模型对日最高温度的预测精度较低，对其它区间的预测误差在5%左右。运用ARMAxxx=1.525−0.530+ε模型建立了沥青路面温度的表达式，即tt−−12tt。预测模型的建立丰富了沥青路面温度预测的方法，为工程需要假定路基温度场某一较短时长内的温度条件提供了依据。⑤推导了介质内部、交界面以及模型边界导热微分方程的差分格式，该差分方程理论上可求解任意层数的平板导热问题。通过解析解验证了单层及双层平板导热的差分计算具有较高精度，误差不累积。建立了五层平板导热模型用于研究XPS板隔热层的作用机理。差分计算结果表明：热能在XPS板隔热层路基病害链的外环境、路基结构本体和地基中的传递规律相同，在冻土区路基中加铺XPS板，可以减少路基结构本体吸热并降低路基高度。但铺设保温材料不能改变路基吸热继续增大的趋势，即保温材料可以延缓却不能阻止多年冻土上限的下降；铺设保温材料后基底浅层地温明显降低。所以，隔断类断链防治措施的设置不是通过改变冻土区公路路基病害链中热能的传递方式而是通过改变能量大小来发挥作用的。XPS板路基五层平板导热模型用于冻土区公路路基常规断面XPS板路基的机理分析是可行的且边界条件的确定灵活多变，使得该模型的适用性更广。⑥考虑消弱了断链防治技术中流体流动速度的影响，利用流场与温度场的耦126 致谢合计算分析了通风管路基温度场特征及其降温效果。计算结果表明：风速越大通风管热交换作用越明显，风速较大时通风管起到了主动降温效果，但风速越大基底中心地温波动幅度越大。⑦研究表明，XPS板路基和通风管路基各深度、地基及路侧天然土体的年地温变化均近似呈正弦变化规律，热能在XPS板路基、通风管路基病害链的外环境、路基结构本体和地基中的传递规律相同，隔断类、消弱类断链防治措施的设置不是通过改变冻土区公路路基病害链中热能的传递方式而是通过改变能量大小来发挥作用的。通风管路基温度场与XPS板路基温度场特性相似，但二者相同测点的温差为-0.3℃，说明一般情况下XPS板的隔热效果优于通风管路基。但在升温阶段，通风管路基的升温速率缓慢，说明其冷却效果较XPS板路基好。⑧考虑水-冰相变，通过经验公式研究了不同含水（冰）率下路基粘土边坡土体的物理力学特征，表明含水率越高，粘土地层冻融深度越浅。通过实例对比分析了瑞典条分法、简化Bishop法、Janbu法和数值分析中强度折减法的计算精度。发现Janbu法的计算结果和强度折减法最接近。结合温度场结算结果，采用Janbu法计算了不同含水率及7级地震工况下的粘土边坡潜在滑裂面及安全系数。结果表明：正常工况及地震工况下，边坡潜在滑裂面从坡顶沿冻融交界面剪出。含水率越高安全系数越小，正常工况下安全系数均不满足规范要求。7.2后续研究工作的展望冻土区公路病害防治是一个范围宽、规模大、周期长的研究领域。本文提出“公路路基病害链”这一概念，并用链式规律研究冻土区公路路基病害防治技术，只是做了一个非常浅的理论研究的尝试，后续还有很多问题需要进一步深入研究。①公路病害链的建立与研究工程结构的各种病害之间应该都具有某种关系，用“链式关系”进行描述和分析是一种可以揭开其本质的理论方法。本文各自独立的探讨了路基结构本体病害链和边坡病害链，但显然，二者之间的的链接关系，甚至包括“路面病害链”的研究及其与二者的链接关系问题，都是值得进一步研究的课题。②不同类型冻土区公路路基病害防治技术差异性研究冻土区有多种类型，本文在数据收集和分析中，虽然在依托青藏高原两个典型工程项目的基础上，简要探讨了东北地区公路病害防治技术的研究成果，但并未对其具体实用性的差异进行深入分析。③冻土区高速公路整体宽幅路基病害的防治机理本文建立的典型路基断面计算模型，针对的是10m宽窄幅路基或足够间距不相127 重庆大学博士学位论文互影响的分离式断面，对于高速公路宽幅路基（20m）未展开探讨。另外，多场耦合的多维模型在工程中的应用验证还有大量研究工作值得深入。④如何正确处理公路工程病害防治与冻土环境协调发展的关系问题，使用的成本效益问题值得进一步研究。128 致谢致谢首先感谢导师张永兴教授生前对作者的指导、教诲、鼓励和关怀，作者非常幸运能在张老师的悉心指导下学习和做研究，虽然张老师已离我们而去，但他渊博的知识、严谨的治学态度、开拓创新的科研精神、忘我的工作热情和高尚的人品情操深深地影响着作者，并将成为一份宝贵的精神财富使作者受益终身。值此论文完成之际，谨向张老师致以最崇高的敬意和由衷的感谢。特别感谢王桂林教授，王教授作为本人的副导师，在百忙之中对论文的审查、修改、定稿和送审等方面，给予了我极大的指导和帮助，在此表示深深的感谢。在研究工作中，中交第一勘察设计院章金钊总工、李涛，中科院寒旱所刘戈，青海省交通运输厅科技处久美才让副处长，青海省交通科研院房建宏院长、刘磊，青海省公路局，黑龙江省交通运输厅科技处寇晓波副处长，吉林省长春市交通运输局姜慧超指挥长，重庆交通大学肖盛燮教授、叶四桥教授、黄明奎教授、吴进良副教授、丁静声副教授，为论文的依托课题做了很多具体的工作，为论文提供了重要的的资料。在此，作者对他们的支持和帮助致以诚挚的谢意！感谢刘礼标博士，在论文撰写过程中提出了很多有价值的建议。感谢同门，在论文撰写过程中给与的帮助。感谢重庆大学研究生院、土木工程学院的老师对作者工作和学习的帮助和指导！感谢重庆交通大学研究生部、土木建筑学院、河海学院的老师，尤其是道路工程系和道路实验室的老师对作者工作和学习的帮助和指导！感谢重庆交通大学外国语学院的陈福宇副教授对作者论文完成给予的鼎立相助！感谢重庆交通大学研究生部的同事对作者学习和工作的帮助和指导！感谢父母、岳父母对我学业和事业的一贯理解、帮助和支持。最后感谢妻子罗珣和女儿张林杉，在作者求学和工作过程中，是她们的理解和支持使作者有勇气直面困难，接受挑战，能顺利完成学业。张铭二O一五年五月于重庆129 重庆大学博士学位论文130 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附录附录A.作者在攻读博士学位期间发表的论文[1]MingZhang;L-iBiaoLib;Jing-shengDing.Methodforaggregatinginducedcorrelatedintervalgreylinguisticvariablesandtheirapplicationtomultipleattributedecisionmaking[J].JournalofIntelligent&FuzzySystems,Vol.27,1169-1177.2014,(SCI:000341926700010;EI:201438066641)[2]MingZhang;ShanLinTang;LeiWu.StudyofHighfillembankmentchaineffectofthenatureofdisease[J].IntelligentAutomationandSoftComputing,Vol.18,No.8-s,1157-1164,2012.(SCI:000318578200016)[3]MingZhang;LibiaoLiu;ShujieDun;LeiDai.CRMGeologicModelConversionMethodofRockEngineeringBasedonThree-DimensionalGeologicModel[J].InternationalJournalofAppliedEnvironmentalSciences,Vol.8,No.15,1897-1908,2013.(EI:20140217181070)[4]MingZhang;YuanHaoLi;HaiBoShu;LiBiaoLiu.ExploretheInfluenceofNaturalEnvironmenttoHighwayTrafficSafetyofMountainousAreaBasedonDEATheory[J].InternationalJournalofAppliedEnvironmentalSciences,Vol.8,No.23-24,2869-2877,2013.(EI:20140517258008)[5]MingZhang;BingjieLi;HaiBoShu;JingshengDing.Theeffectofmountainousareaexpresswayonenvironmentandsecuritycontrolbasedonbiologicalandecosystemmodel[J].Biotechnology,Vol.10,No.8,pp.2876-2881,2014.10.(EI:20145100348058)[6]张铭，戴磊,基于邓肯-张E-B模型的边坡稳定性强度折减法的研究及应用[J].公路工程,2014,Vol.39,No.6,5-7[7]张铭，复杂地质结构顺层边坡联合处治技术研究及实际处治应用[J].科学技术与工程,2014，Vol.14,No.25,18-23B.作者在攻读博士学位期间主持和参与的主要科研项目[1]基于灾变链式理论的多种灾害演化规律探索.国家自然科学基金项目（编号:50879097）参与[2]基于驾驶人-车-路协调的山区复杂公路行车安全度辨识理论研究.国家自然科学基金项目（编号:51278514）主研[3]车板相互作用下水泥混凝土路面性能衰变规律研究.国家教育部科技项目(重庆市科技进步三等奖)（2009-J-3-24-R02）[4]泥石流地区高速公路建设关键技术研究.云南省交通运输厅科技项目（编号：云交科2013139 重庆大学博士学位论文（C）16）主持[5]寒冷地区农村公路水泥混凝土路面修复关键技术研究,吉林省长春市交通局长农公路建设指挥部.主持[6]多重荷载作用下巴东组泥灰岩填料超高路堤稳定性及支护形式研究.重庆市交通委员会科技项目（编号:2007CQJTK023）参与[7]陡坡急弯路段路面力学响应及其设计方法研究.重庆市教育委员会科学技术研究项目(编号:KJ090404)主研140