新建兰新第二双线多年冻土地区路基变形规律研究

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新建兰新第二双线途径甘肃省、青海省以及新疆维吾尔自治区三省区,正线线路全长1782公里,设计时速超过200公里/小时,新建兰新第二双线祁连山部分地区以热敏感性高和热稳定性差的多年冻土为主,季节的变换使冻土发生冻融循环,土中水发生相变时极易引发路基产生变形和开裂。
　　本文结合了多年冻土的相关基础知识和修筑青藏铁路时的实践经验,对新建兰新第二双线甘青段DK366+021.00~DK366+089.44多年冻土地区路基的变形影响因素以及变形规律进行了系统的研究。
　　主要研究内容与成果:
　　(1)在了解多年冻土基础知识以及冻土的破坏机理的基础上,对新建兰新第二双线铁路沿线不良地质的分布、铁路路基的设计原则和修筑方法进行了系统的分析,分析得出:祁连山多年冻土地区铁路路基的设计原则包括保护冻土、允许融化以及控制融化速率。
　　(2)通过查阅相关资料对新建兰新第二双线多年冻土地区路基变形影响因素进行分析,通过分析得出:多年冻土的内在因素、外部气候因素以及多年冻土的施工特点都是影响路基变形的主要因素,采用减小太阳辐射、控制热传导以及减小热对流的方法对提高祁连山多年冻土地区路基热稳定性有一定的帮助。
　　(3)结合前人研究出的非稳态温度场控制方程和基本的应力-应变方程,推导出路基热-应力耦合方程,研究多年冻土地区路基数学理论方程能够为路基变形的数值模拟提供理论依据。
　　(4)通过有限元软件ANSYS建立二维有限元模型,分析路基温度场、应力场与变形场,计算路基的变形量,并分析路基变形规律。分析计算得出:路基温度场呈现出沿纵向受外界温度逐渐减小的规律;在融化状态,温度的升高使得冻胀力减小,土体中的冰融化为水,土体在重力作用下发生压密,引起路基产生下陷变形,在冻结状态,冬季气温降低,温度一般处于0℃以下,土体中的水开始由上而下结冰,受温度梯度和毛细管理论的作用,土体中的水逐渐向结冰面迁移,并发生由水到冰的相变,随着水分向冰锋界面迁移,冰的体积不断增大,直到冰的体积大于土颗粒之间的空隙时,冰晶体产生冻胀力,当冻胀力大于土体内聚力和重力时,土体将产生冻胀变形,冻胀力的不断加大使得路基产生向上膨胀变形。
　　(5)综合新建兰新第二双线多年冻土地区铁路路基变形影响因素以及变形量的分析结果,研究减小由温度引起的路基变形量的措施。分析得出:当外界气温较高时,路基内部温度整体较高,使得路基内部冻胀力减小,路基产生下陷变形,我们在施工期间尽量选取单位体积冻融潜热大的材料,以减小传热速率,同时可以采取遮阳棚、碎石护坡路基以及通风管路基来降低路基内部温度,从而减小路基融陷变形。当外界气温较低时,路基内部温度整体较低,使得路基内部冻胀力增大,当冰的体积大于土颗粒之间的空隙时,路基将发生冻胀变形,通常我们可以采取换填土、热棒路基,同时做好路基排水工作来减小路基的冻胀变形;路基坡脚处是应力集中的主要位置,应严格按照路基边坡设计要求施工,杜绝污坡现象,合理设计边坡坡度和路基高度,可以采用复合土工布材料来扩散应力,采用综合治理的方案达到保护多年冻土的目的。

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作者
梁潇文;
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作者单位

兰州交通大学;

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授予单位兰州交通大学;
学科道路与铁道工程
授予学位硕士
导师姓名赖天文;
年度 2014
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 U213.14;
关键词
多年冻土; 路基变形; 热应力耦合; 数值模拟; 有限元模型;

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