季节冻土区道路设置冷阻层治理路基冻害机理研究

本项目针对季冻区路基冻害问题，提出设置冷阻层结构来解决冻害问题的思路。从数值计算、试验研究、理论研究和实体工程应用等方面对冷阻层结构展开研究。数值计算方面，根据收集到的文献及基础试验得到的基本参数，对冷阻层结构进行了理论计算和设计，并结合实际应用背景，给出了结构层最优设计参数；试验研究方面，开展了橡胶颗粒改良粉煤灰土的配合比试验研究，得到了改良土的最优配合比。进行了冷阻层室外模型试验，对设置和不设置冷阻层结构路基结构在经历一次冻结过程中的结构内部温度分布进行对不，评价了冷阻层结构的保温性能。进行了冻融循环条件下的动力响应试验研究，分析了不同加载频率、不同载重、不同冻融循环次数下橡胶颗粒改良粉煤灰土和粉质黏土的动力响应规律，结果表明橡胶颗粒改良粉煤灰土适合作为季冻区路基填料。开展了季冻区改良土冻融循环下动回弹模量测定试验，获得了改良土随冻融循环进行动回弹模量的变化规律。进行了季冻区改良土基质吸力测量试验，得到了改良土冻融循环条件下土水特征曲线，为后期研究的开展做足准备；理论研究方面，提出了季冻区非饱和土路基的水-热耦合模型并应用试验场地的试验数据对数学模型进行了验证，证明了本研究数学模型的可靠性，模型考虑了非饱和土的体积含水率，体积含冰率，渗透性，导热性，冰水相变等特性，完全适用于季冻区非饱和土的路基的水热耦合研究；实体工程应用方面，根据课题组研究成果，保持了课题组冷阻层研究的主体，结合废弃资源再利用理念，因地制宜，提出了XPS板 油页岩废渣改良粉煤灰土的冷阻层结构，并依托工程铺筑了试验路，埋设相关传感器，对研究成果的实际应用效果进行后续跟踪检测评价。本项目研究按照研究计划总体开展顺利，研究成果能够很大程度上解决季冻区路基冻害问题，对提高我国季冻区道路服务水平，节约道路养护维修费用具有重要意义。 2100433B

季冻区路基冻害是影响道路安全运营的常见病害，主要由路基土体内部因素和环境外部因素共同作用导致。本课题在已有研究基础上，提出设置路基冷阻层的新型路基形式，旨在减少路基上部冻结指数、减慢冻结速率、减小冻结深度，改善甚至是避免季冻区路基下部冻胀敏感土的冻结。本项目采用修正Berggren方程推导道路多层结构的冻结指数及冷阻层理论厚度，通过室外冻胀实验对新型路基结构的保温性、温度场和水分场特性进行理论分析，并以二维水、热输移控制方程和有限元法对水热耦合下路基温度场、水分场进行计算，对多年后的水热状况进行预测。同时采用自制的冻融循环试验机对冷阻层的耐久性作出评价。对于冷阻层的整体稳定性，采用弹性层状理论，借助数值分析方法，在最佳厚度的前提下，对半刚性基层在荷载作用下横竖向变形，底部拉应力进行了分析，从而确保新型路基结构的正常使用。

土冻结时在一定条件下会发生下部土体的水分向冻结峰面转移的现象，即水分迁移，并析出冰层造成冻胀。解释水分迁移的学说很多，目前普遍认为起主要作用的是“薄膜水迁移理论”。

物理学认为，由于土颗粒的电分子引力作用及水分子的双极构造，当水和土颗粒接触时，会在土颗粒表面形成一薄膜水层，见图《路基冻害机理》所示。

最里层的水分子吸附力最大，为强结合水，水分子不能自由活动也不冻结，而外围的水层为弱结合水，可以在水分子力作用下运动和在负温下冻结。一般在土中，由于土颗粒间距离很小，甚至互相接触，可以形成公共水化膜，这时它们的弱结合水层便会在土颗粒和水分子引力作用下达到相对的平衡状态。当上部土体发生冻结时，由于形成冰晶，就从靠近冻结峰面的土颗粒外围的水化膜中夺走一部分水，使水膜变薄，使公共水化膜产生不平衡。这时，减薄了的水膜就会从邻近处抽吸水分来补充，以恢复平衡。所以在冻结过程中，增长着的冰晶不断从临近的水化膜中夺走水分，而相邻的厚膜中的水分子又不断地向薄膜补充，这样，不断地依次传递就形成了冻结时下部土体的水分向冻结峰面的迁移。

温度分布情况复杂和结构迥异是深季节性冻土区路桥（涵）过渡段冻害问题突出的重要原因，由冻胀、融沉引起的过渡段病害问题严重影响和制约着冻土区高速、重载铁路的发展。依托已有的路桥（涵）过渡段监测断面，采用现场监测、室内试验与理论分析相结合的方法，分析深季节冻土区路桥（涵）过渡段的温度分布情况，重点研究过渡段差异性冻胀、融沉变形机理，探讨制约路桥（涵）过渡段冻胀融沉变形的关键因素，提出路基填料冻胀、融沉和冻胀力分级标准，研究土体冻结融化过程中的水分迁移规律和冻结缘的形成过程。结合室内模型试验，建立深季节冻土区铁路路基多源融合的冻胀融沉计算模型，并预测其长期变形。在上述研究成果的基础上，提出适用于深季节性冻土区路桥（涵）过渡段差异性冻胀、融沉控制方法。研究结果对提高深季节冻土区路基工程设计与施工质量、路基冻害防治具有重要意义，同时也进一步完善了冻土力学学科体系和冻土试验技术。

通过在物体表面贴上一层柔性覆层来抑制湍流达到减阻效果是一种简单而有潜力的湍流减阻被动控制方法。本项目利用直接数值模拟的手段，对柔性覆层湍流边界层特性及减阻机理进行研究。（1）柔性覆层湍流边界层的直接数值模拟方法研究：采用基于动态曲线坐标方法处理任意变形的流体边界，结合辅助计算法和比例缩放法给出湍流边界层的入口条件，柔性覆层计算模型包括各向同性和各向异性模型；（2）柔性覆层湍流边界层的统计特性，近壁相干结构动力学过程及减阻机理研究：采用流场可视化和条件平均的方法，研究柔性覆层对近壁湍流相干结构及湍流自维持机制的影响，通过雷诺应力输运方程中各项的平衡关系来研究湍流减阻的机理；（3）柔性覆层关键材料参数研究：结合单谐波分析，根据数值模拟的结果分析关键材料参数对减阻效果的影响，并在均匀材料的研究基础上设计非均匀材料结构以求改善减阻效果，为实验研究及实际应用提供参考。