高温冻土动力融化固结理论研究

本课题以109国道青海省境内橡皮山段公路路基上严重翻浆地段为重点，采用现场调研和实测、理论分析、及数值模拟和室内试验验证相结合的思路，对于高温冻土动力融化固结特性进行系统研究，取得了以下几个方面的研究成果: （1）通过现场实测，对G109在重型交通车辆作用下，不同深度、不同载重、不同车速的路基动态响应规律进行了研究，并对G109沿线的路基动态响应状态数据进行了长期的观测； （2）研究109国道路基代表性土在开敞系统有侧限、不同温度和荷载边界条件作用下土体孔隙水压力的变化规律； （3）以圆柱体试件为研究对象，推导出按位移求解空间轴对称问题时的基本微分方程，并导出饱和冻土融化固结理论模型； （4）考虑孔隙气压力的作用，修订有效应力的表达式，考虑渗透系数为孔隙水压力和孔隙气压力的函数，结合土体颗粒、水、冰和气体的质量守恒方程以及动量守恒方程，依据达西定律来表达气体和水的平均运动速度，推导出非饱和高温冻土融化固结理论模型； （5）利用数值模拟方法，分别建立室内试验验证模型和季节性冻土地区109国道橡皮山段冻土路基有限元模型，综合分析了不同边界条件下高温冻土融化固结沉降。 2100433B

本项目主要研究动载荷作用下高温冻土的融化固结规律，包括一维条件下高温冻土动力固结实验规律，动载荷特征的影响等，温度变化和水分运动等，基于实验结果分析，建立动力融化固结理论模型。高速、重载铁路和线路提速实际上改变了作用在路基上的载荷及其特征，规划中的青藏高速公路对于路基下面冻土的动载荷作用更为直接。在这些新的条件下，为了研究冻土区路基的服役性能并优化设计，冻土动力融化固结的研究显得非常必要。课题的开展既有实践意义，也会对冻土力学在融化固结方面开拓新的方向。

融化压缩系数是冻土融化后在单位压力作用下产生的相对压缩变形量。

融化压缩系数

冻土融化后在单位压力作用下产生的相对压缩变形量。

引用自中华人民共和国国家标准《土工试验方法标准》GBT50123-1999 第2.1.5条2100433B

软土的非线性压缩和渗透特性以及其中渗流并不完全符合达西定律的现象早已为人们所认识，但考虑非达西渗流的软土非线性固结理论至今尚无, 致使在实际软土地基加固和处理工程设计中目前仍只能被动地采用现有建立在达西定律基础上的固结理论。本项目拟通过系统深入的理论研究,并结合采用GDS高级固结仪进行的试验，建立和发展可考虑非达西渗流的成层软土地基非线性固结理论。在此基础上，全面分析非达西渗流和软土的非线性等因素对软土地基固结性状的影响, 以及基于达西定律的软土固结理论与基于非达西渗流定律的软土固结理论的主要差别和适用范围等。同时，绘制可供实际工程直接使用或参考的相关固结计算曲线和图表。为软土地基加固处理工程提供更为贴近实际、更合理有效的计算理论和技术。 2100433B

气体、矿物颗粒、未冻水、冰是组成冻土的四种物质成分，气体、未冻水和冰的含量随温度变化。变形特性将冻土地基分为松散、塑性与坚硬冻土含有机物与盐类的不同将冻土分为冻结泥炭化土与盐渍化冻土根据持续时间可分为多年与季节冻土根据冻土的融沉性与土的冻胀性又可分成若干亚类。

冻结状态连续保持三年以上者，物理力学性质随温度变化而改变，伴随发生融陷、热融滑塌、冻胀等现象的视为多年冻土地面表层冬季冻结，夏季全部融化，每年交替冻融一次的土层为季节性冻土。

在冻结状态下，具有较低的压缩性或不具压缩性和较高的强度属冻土地基的工程特性。如果冻土融化后则承载力大大降低，压缩性变化较大，使地基产生融陷冻胀对地基的承载力和安全性极为不利。

土的颗粒大小及含水量可以影响冻胀和融陷，一般土颗粒愈粗，含水量愈小，土的冻胀和融陷性愈小反之愈大。不同土质、平均冻胀率、冻前天然含水量、冻结期间地下水位距冻结面的最小距离可以划分季节性冻土多年冻土根据融化下沉系数的大小，可分为不融沉、弱融沉、融沉、强融沉和融陷五级。