多年島狀凍土路基熱穩(wěn)定性及融沉預(yù)測的研究.pdf

1、我國多年凍土區(qū)面積約占國土面積的1/5，主要分布在青藏高原和東北大、小興安嶺地區(qū)，國內(nèi)以往對多年凍土工程的研究主要集中在以青藏高原為代表的西部地區(qū)，然而東北大、小興安嶺地區(qū)的多年凍土與青藏高原等西部地區(qū)的多年凍土有著明顯不同。西部地區(qū)的多年凍土主要受海拔高度控制，一般較為連續(xù)，且凍土體量大，路基差異性變形相對較小;而東北地區(qū)的多年凍土則具有明顯的緯度地帶性特點，凍土體量小，連續(xù)性差，多呈島狀分布，且屬高溫凍土，熱敏感性高，退化速度快，在

2、工程實踐中，其病害在發(fā)生時間、發(fā)展速度、損傷過程及破壞程度等方面也存在著較大差別。因此，應(yīng)進(jìn)一步研究符合高緯度地區(qū)凍土特點的工程技術(shù)理論，然而多年島狀凍土路基的熱穩(wěn)定性是一個極其復(fù)雜的問題，是一個至今仍未徹底解決的工程難題，尤其是具有寬幅路面的高等級公路，由于其對地基土的熱擾動較為強(qiáng)烈，所引發(fā)的工程問題也更為復(fù)雜。
　　本文依托交通運輸部科技項目“凍土融化和山體滑坡路段高速公路加寬擴(kuò)建工程路基穩(wěn)定性技術(shù)研究”（項目編號:20113

3、18223630），以及黑龍江省交通廳重點科研項目“高緯度島狀多年凍土區(qū)高速公路路基設(shè)計與施工技術(shù)研究”（項目編號:2009-019），通過試驗對比、理論分析及數(shù)值模擬對多年島狀凍土路基的地溫變化特征和位移反映過程進(jìn)行了深入研究，提出了多年島狀凍土路基位移場的年周期性地溫響應(yīng)規(guī)律及路基變形的“突變效應(yīng)”和“熱縮效應(yīng)”，并將支持向量機(jī)原理應(yīng)用于凍土路基的融沉變形預(yù)測中，提出了一種更為有效的新型預(yù)測方法。本文的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新成果如下:<

4、br>　　1.通過對凍土路基熱穩(wěn)定性影響因素的分析及試驗，發(fā)現(xiàn)多年島狀凍土路基地溫場及位移場年周期內(nèi)的變化規(guī)律具有明顯的階段性特點，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，將路基位移場的年周期性地溫響應(yīng)過程劃分為凍結(jié)階段，過渡階段及融化階段。
　　2.通過對多年島狀凍土路基熱狀況、相變速率，以及凍土單軸拉伸特性、側(cè)向變形性質(zhì)的分析，分別構(gòu)建了含有相變及水分遷移過程的凍土路基地溫控制方程，以及豎向位移、側(cè)向位移的理論計算模型;并采用有限元分析軟件對多年島狀凍

5、土路基的路基瞬態(tài)地溫場及位移場進(jìn)行了數(shù)值模擬。
　　3.通過對路基兩側(cè)坡面施加不同的熱流密度條件，實現(xiàn)了對多年島狀凍土路基坡向性效應(yīng)的數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明隨著路基兩側(cè)坡面溫差的增大，路基地溫場及位移場的不對稱特征愈加明顯，根據(jù)不同熱差異時的路基地溫場及位移場的等值線分布圖，分別對凍結(jié)狀態(tài)和融化狀態(tài)下路基的坡向性地溫特點、位移變化特征及可能誘發(fā)的路基病害進(jìn)行了深入分析。
　　4.通過對試驗數(shù)據(jù)的整理與分析，得出了多年島狀凍土

6、路基內(nèi)各關(guān)鍵節(jié)點處地溫及位移的年周期性變化情況及特征差異，并對實測值與數(shù)值模擬結(jié)果的偏差原因進(jìn)行了分析，從而驗證了理論計算方法的可行性;在此基礎(chǔ)上，通過對不同設(shè)計參數(shù)的凍土路基地溫及位移年周期性變化曲線的分組對比，得出了覆土厚度、含冰量及地基加固措施對多年島狀凍土路基熱穩(wěn)定性的影響效果。
　　5.通過對多年島狀凍土路基豎向位移“突變效應(yīng)”及側(cè)向位移“熱縮效應(yīng)”的試驗與分析，指出了在凍融過程中的豎向位移突變應(yīng)存在著土體強(qiáng)度衰減及土中

7、水分遷移兩個進(jìn)程，而側(cè)向收縮變形則主要是由于路基解凍初期土體內(nèi)大量孔隙水的側(cè)向排出所導(dǎo)致的，根據(jù)其各自發(fā)生機(jī)理，分別提出了相應(yīng)的位移增量計算公式，并對多個斷面由于地溫變化導(dǎo)致凍土強(qiáng)度衰減而引起的豎向突變位移進(jìn)行了驗證。
　　6.在充分分析現(xiàn)有預(yù)測理論及方法應(yīng)用效果的基礎(chǔ)上，將支持向量機(jī)(SVM)原理應(yīng)用于多年島狀凍土路基融沉變形預(yù)測中，并以實際工程為載體，利用MATLAB數(shù)據(jù)分析軟件構(gòu)建了基于支持向量機(jī)(SVM)原理的凍土路基融沉