季節(jié)凍土凍融損傷及高路塹邊坡抗融沉滑塌研究.pdf

1、季節(jié)凍土區(qū)冬季土體凍結(jié)膨脹，春季冰晶融化在凍融交界面形成富水帶，高速鐵路、公路的路塹邊坡不斷發(fā)生凍融滑塌工程災(zāi)害事故，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。開展季節(jié)凍土區(qū)邊坡凍融滑坡機(jī)理的基礎(chǔ)性研究，尋求一種全新且有效的防止季節(jié)凍土層邊坡凍融滑塌的工程技術(shù)，減少寒區(qū)邊坡凍融坍滑病害的發(fā)生，減少災(zāi)害損失，是凍土工程學(xué)科的前沿課題，面對(duì)我國(guó)鐵路、公路交通事業(yè)迅猛發(fā)展，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。
　　本文在系統(tǒng)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料基礎(chǔ)上，開展了500個(gè)原狀土

2、試樣（失敗86個(gè)）的凍融三軸試驗(yàn)，一是尋求凍融作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)的損傷過程、損傷機(jī)理，提出損失率的定義與計(jì)算公式，建立凍融土損傷模型以及驗(yàn)證工作；二是通過不同方法試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比認(rèn)識(shí)到排水是解決富水帶交界面滑移的最有效途徑，提出多層水平排水管技術(shù)防治邊坡凍融滑塌的思想，完成了相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)；三是利用有限元計(jì)算將新技術(shù)與目前設(shè)計(jì)單位采用的措施對(duì)比穩(wěn)定安全系數(shù)、水平位移等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，確立了該技術(shù)的設(shè)計(jì)方法與穩(wěn)定性分析計(jì)算公式，最后在哈爾濱至大連高速鐵

3、路路邊邊坡工程試驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該技術(shù)的優(yōu)越性與良好的工程效益。
　　論文得到了如下研究成果：
　　1.通過不同凍融次數(shù)（1~9次）、5個(gè)凍結(jié)溫度、6個(gè)融化溫度、不同補(bǔ)水條件，3種試驗(yàn)方法的原狀土試樣凍融—三軸試驗(yàn)，確定了不同試驗(yàn)條件下原狀土抗剪強(qiáng)度指標(biāo) C、φ的凍融損傷的變化規(guī)律。凍融次數(shù)增加抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化幅度增大，7次凍融循環(huán)后二者數(shù)值趨于穩(wěn)定；凍結(jié)溫度越高、初始含水率越高、水分補(bǔ)給越充足原狀土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)損傷變

4、化幅度越大。得到了各影響因素與原狀土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的量化關(guān)系，提出了土樣 C、φ與凍融次數(shù)、凍結(jié)溫度和初始含水率之間的數(shù)學(xué)計(jì)算關(guān)系式。
　　2.試驗(yàn)結(jié)果確定凍融損傷作用可使土體粘聚力減小45％，內(nèi)摩擦角略微增長(zhǎng)，使土體抗滑力大幅下降，得到了凍融損傷機(jī)理：“土體化學(xué)晶格鍵凍脹破壞”、“微小土塊壓密體”，季節(jié)凍土區(qū)土質(zhì)路塹邊坡凍融滑塌的機(jī)理：“冰質(zhì)小滾珠效應(yīng)”和“融化水潤(rùn)滑作用”。
　　3.分析了不同凍融次數(shù)、不同凍結(jié)溫度和不同圍

5、壓應(yīng)力條件下凍融損傷試樣土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的變化規(guī)律，提出了初始切線模量損失率和最大偏應(yīng)力損失率的定義，根據(jù)定義引入了雙損傷因子，建立了土的凍融損傷模型，試驗(yàn)資料對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，證明模型能夠正確反映出原狀粉質(zhì)粘土的力學(xué)性能的凍融損傷程度。
　　4.對(duì)水平排水管進(jìn)行了凍脹融沉試驗(yàn)和凍融排水試驗(yàn)，同時(shí)確定了合理的排水管管徑和間距，試驗(yàn)證明了多層水平排水管技術(shù)的可行性。對(duì)比了3種護(hù)坡邊坡工程的數(shù)值計(jì)算的安全系數(shù)、水平位移等，提煉出多層

6、水平排水管技術(shù)，并得到了該技術(shù)下邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算公式。
　　5.在哈大高路塹邊坡 D3K691+700～865段進(jìn)行了多層水平排水管防凍融滑塌技術(shù)和無措施對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，埋設(shè)了溫度探頭、水分分析儀、凍融位移計(jì)、水位監(jiān)測(cè)管和測(cè)斜管等傳感器，共計(jì)280個(gè)測(cè)試元件的水分、溫度、位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：多層水平排水管防凍融滑塌技術(shù)可有效減小季節(jié)凍土區(qū)高路塹邊坡的凍結(jié)深度、降低邊坡地下水位和水分遷移量、減小凍脹融沉量和水平位移，完全保證淺水位高