高溫凍土區(qū)片石層路基穩(wěn)定性的數(shù)值分析

劉新龍 鄧小娟 馮文慧

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

高溫凍土區(qū)片石層路基穩(wěn)定性的數(shù)值分析

劉新龍 鄧小娟 馮文慧

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

為了研究片石層路基結(jié)構(gòu)的冷卻效果，在假定氣候以百年升溫3.4 ℃的速度在變暖、有典型的陰陽(yáng)坡效應(yīng)、夏季竣工的條件下，采用有限元熱實(shí)單元方法，進(jìn)行了數(shù)值仿真。結(jié)果表明，片石層路基溫度場(chǎng)前10年冷卻效果明顯，第10年～第40年冷卻效果變緩，第40年后溫度場(chǎng)趨于穩(wěn)定，路基沉降趨于穩(wěn)定值17.1 cm，工后沉降滿(mǎn)足規(guī)范要求，可見(jiàn)該路基形式有較好的保護(hù)凍土，延遲退化的功效。

凍土，鐵路路基，溫度場(chǎng)，沉降量，仿真

0 引言

我國(guó)凍土區(qū)分布復(fù)雜且較為廣闊[1]，僅青藏鐵路的格爾木至拉薩段就穿行多年凍土地段550 km，且有960 km路段位于海拔4 000 m以上，凍土溫度只有約-1 ℃～-2 ℃，凍土十分脆弱，保護(hù)凍土技術(shù)難度較大；為此采用了如通風(fēng)管路基、拋石護(hù)坡路基、片石層路基、旱橋穿越等保護(hù)凍土技術(shù)結(jié)構(gòu)形式，從2006年7月1日正式通車(chē)運(yùn)營(yíng)至今，除有少部分未采取冷卻措施的路段出現(xiàn)路基下沉和開(kāi)裂，總體運(yùn)營(yíng)較為平穩(wěn)。但是包括青藏鐵路在內(nèi)的凍土工程面臨的問(wèn)題是極其復(fù)雜的，俄羅斯西伯利亞鐵路已運(yùn)行100多年，但鐵路的穩(wěn)定仍然存在問(wèn)題；隨著“西部大開(kāi)發(fā)”及“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，對(duì)這種特殊凍土進(jìn)行深入持續(xù)的關(guān)注和研究是十分必要的[2]。

1 片石層路基結(jié)構(gòu)的仿真模型

1.1幾何模型及物性參數(shù)

取清水河試驗(yàn)段DK1025+575某一路堤斷面作為二維平面問(wèn)題進(jìn)行分析,且假定路基各層土均勻分層，路基結(jié)構(gòu)如圖1所示。片石層厚度為1 m，凍融活動(dòng)層為2 m厚的碎石亞黏土，其下為弱風(fēng)化基巖。片石層的導(dǎo)熱系數(shù)是由巖石、空氣的導(dǎo)熱系數(shù)和熱傳輸過(guò)程決定的，為簡(jiǎn)化模型，片石層的熱交換形式采用熱傳導(dǎo)，其熱功當(dāng)量傳導(dǎo)系數(shù)采用有效導(dǎo)熱系數(shù)，取寒季有效導(dǎo)熱系數(shù)為暖季的8倍。片石層的直徑約為10 cm，其滲透系數(shù)k=1.58×10-6m-2，熱力學(xué)參數(shù)C=1.015×106J/(m3·℃)，λ=0.378 W/(m·℃)[3]，表1為土體材料的熱力學(xué)參數(shù)。

表1 土體材料的熱力學(xué)參數(shù)

材料參數(shù)λfW/(m·℃)λuW/(m·℃)CfJ/(m3·℃)CuJ/(m3·℃)LJ/m3砂礫層1.981.9191.913×1062.227×10620.4×106亞黏土層1.3511.1251.879×1062.357×10660.3×106弱風(fēng)化基巖層1.8241.4741.846×1062.099×10637.7×106

1.2邊界條件和初始條件

將邊界條件簡(jiǎn)化為以年為周期的正弦函數(shù)，初相角既可對(duì)應(yīng)竣工時(shí)間，本文對(duì)應(yīng)7月15日，也可設(shè)定為待研究的未來(lái)某年某日，大氣百年升溫設(shè)定為3.4 ℃，幾何模型具體的上邊界條件如式(1)～式(4)[4]。

路基的頂面：

(1)

路基的陽(yáng)坡：

(2)

路基的陰坡：

(3)

天然地表：

(4)

兩側(cè)的邊界為絕熱邊界，模型的底部溫度為-2 ℃，瞬態(tài)計(jì)算時(shí)，模型底部取地?zé)崃?.06 W/m2。初始條件取7月15日的地溫值(見(jiàn)表2)，路基本體的初始溫度取高溫期均溫17 ℃。

表2 路基以下各土層溫度的初始值[5]

2 計(jì)算結(jié)果及分析

1)溫度場(chǎng)分析。

用有限元ADINA軟件對(duì)7月15日竣工的路基處于正溫期7月15日和回凍期10月15日在未來(lái)1，2,3,4,5,10,20,30,40,50的典型時(shí)間節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分別進(jìn)行了計(jì)算，圖2～圖7給出了2個(gè)年份的溫度場(chǎng)等溫線。

溫度場(chǎng)瞬態(tài)計(jì)算表明片石層在前10年的隔熱制冷效果顯著，其后到第40年放緩，40年后趨于穩(wěn)定。圖6和圖7是路堤頂部中央和路基中央-9 m處在7月15日的溫度變化曲線，可見(jiàn)大氣升溫使得路堤頂面7月15日的溫度在未來(lái)的50年內(nèi)隨著時(shí)間由15.5 ℃逐漸升高到第50年的16.9 ℃，而基礎(chǔ)底部-9 m處的溫度卻由-1.2 ℃降到了-1.8 ℃，表明片石層路基對(duì)下臥凍土路基起到了隔熱降溫作用。

2)路基沉降分析。

圖8為路基在一年當(dāng)中最大的沉降在未來(lái)50年的時(shí)間歷程曲線，上部位置曲線為陽(yáng)坡左路肩(D點(diǎn))的沉降曲線，下部位置曲線為陰坡右路肩(E點(diǎn))的沉降曲線。

從未來(lái)50年左右路肩的沉降曲線可見(jiàn)：1)在前11年～12年里路肩沉降量一直在緩慢發(fā)展，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，左右路肩沉降分別趨于18.5 cm和16.6 cm，路堤頂中央沉降量趨于17.1 cm，均小于鐵道部《鐵路特殊土路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中國(guó)家Ⅱ級(jí)鐵路規(guī)定的30 cm工后沉降標(biāo)準(zhǔn)。2)由于凍土的凍脹融沉規(guī)律作用，左右路肩在7月15日與12月15日的沉降相差量始終保持約5 cm。3)陰陽(yáng)坡效應(yīng)始終存在，左右路肩同期沉降量相差始終保持在不足2 cm。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)高溫凍土區(qū)片石層路基的溫度場(chǎng)和沉降變形的數(shù)值模擬表明，即使片石層路基是在不利的高溫期竣工、同時(shí)考慮大氣升溫效應(yīng)和陰陽(yáng)坡效應(yīng)的條件下，片石層的隔熱制冷作用在前約10年里作用明顯，而后由于大氣升溫效應(yīng)，路基溫度場(chǎng)和沉降都逐漸趨于穩(wěn)定，左右路肩沉降量在未來(lái)50年里分別發(fā)展到約18.5 cm和16.6 cm，滿(mǎn)足規(guī)范要求，片石層路基結(jié)構(gòu)對(duì)于保護(hù)高溫凍土區(qū)路基有較好的作用。

[1] 劉新龍,符 敏,付 強(qiáng).西部高海拔多年凍土發(fā)育規(guī)律的研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2007,3(6):1324-1327.

[2] 楚小剛,張軍平,王引生.有限元法分析氣溫升高對(duì)凍土路基的穩(wěn)定影響[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2016,11(218):17-21.

[3] 張魯新,熊治文,韓龍武.青藏鐵路凍土環(huán)境和凍土工程[M].北京：人民交通出版社,2011.

[4] 丑亞玲,曹 偉,張 波.基于陰陽(yáng)坡效應(yīng)的多年凍土區(qū)路基穩(wěn)定性研究[M].北京:人民交通出版社,2014.

[5] 呂振后.寒區(qū)冷卻路基的冷卻效果分析[D].重慶:重慶交通大學(xué),2011.

Thenumericalanalysisofstabilityofsubgradewithrockberminhightemperaturefrozenground

LiuXinlongDengXiaojuanFengWenhui

(DepartmentofCivilEngineeringofXi’anTechnologicalUniversity,Xi’an710021,China)

In order to study the cooling effectiveness of subgrade with rock berm, base on assumptions of a 3.4 ℃rise of the air temperature in one hundred year, typical effect of the southern and northern slopes and conditions of completion in summer, it is carried out numerical simulation on cooling effectiveness of subgrade with rock berm by FEM method. The results show some regularities. It is obviously show cooling effect on the temperature field of subgrade with rock berm in the first ten years, and cooling effect slowed down from the 10th year to the 40th year, and the temperature tend to steadily after 40th year. Subgrade settlement tend to a stable value which is 17.1 cm, and settlement meets requirements of specification after constructions. So, the better effect of frozen soil protection and delayed degradation in the form of the subgrade is indicated.

frozen soil, railway subgrade, temperature field, settlement, simulation

U416.1

A

1009-6825(2017)26-0141-03

2017-06-28

劉新龍(1965- )，男，碩士，副教授