寒区冻土路基抗冻胀理论新模型与计算方法研究

Frost heaving is an important factor of Roadbase deformation and loss of stability in Permafrost zone. Frost heave of frozen soil research not only have certain limitations, but also failed to give effective quantitative indicators and reliable computingapproach. Therefore, the theoretical basis, in line with the actual process of frost heaving, and quantitative basis for the anti-frost heave stability theory and methods is very necessary. Study based on the frozen soil physical, chemical and frozen soil mechanics theory, starting from the frost heave mechanism subgrade soil frost heave process is divided into three sections: the permafrost zone, not permafrost and frozen fringe areas, and give full consideration to freeze edge-bridging role, the three sections together to build bridge with frost heave theoretical model. Corresponding control equation based on their different essential features and a leading role in the establishment, and connection conditions to form a complete solution system, using semi-analytical finite element method for solving the instantaneous state of frost heave quantitative calculation of resistance to frost heave stability for the subgrade The analysis provides a scientific basis and reliability indicators. Innovation and development of this study is the new permafrost anti-frost heaving theory models and calculation methods, the theories and methods of cold subgrade in anti-freeze injury, the more important theoretical and scientific value, the promotion of traffic the transport sector sustainable development, has broad application prospects.

冻土区路基工程由冻胀引起变形过大而失去稳定性是重要因素之一。目前对冻胀的研究成果均有一定的局限性，还未能给出行之有效的定量指标和可靠的计算方法。因此，研究有理论基础，符合实际冻胀过程的、又有定量依据的抗冻胀稳定性理论和方法是十分必要的。本项研究基于冻土物理化学和冻土力学理论，从冻胀机理出发，把冻胀过程的路基土体划分三个区段：冻土区、未冻土区及冻结缘区，充分考虑冻结缘区的桥连作用，把三个区段连在一起构建成桥连式冻胀理论模型。根据各自不同的本质特征和主导作用建立相应的控制方程，并用连接条件构成一个完整的求解系统，采用半解析有限元法求解，可对瞬时状态的冻胀进行定量计算，为路基抗冻胀稳定性分析提供科学依据和可靠指标。这就是本项研究提出的全新的冻土抗冻胀理论模型和计算方法，对寒区路基工程抗冻害理论和方法有一定的创新和发展，具有较重要的理论和科学价值，对促进交通运输业持续发展，具有广阔的应用前景。

项目背景. 寒区路基工程由冻害造成的破坏主要是路基的冻胀与融沉，即冻融破坏。铁路或公路的路基工程，在冻结期间将产生不均匀冻胀，导致路面高低不平，失去平坦性，对铁路和高速公路危害更大，轻者给行车造成故障，重者造成行车事故。目前，路基抗冻胀稳定性研究尚有一定局限性，缺乏行之有效的定量指标和可靠的计算方法，因此研究有理论基础支持，符合实际冻胀过程，有定量指标，依据的抗冻胀稳定性理论和计算方法是本项目研究的出发点。.主要研究内容. 主要研究内容包含三个方面：（1）路基土体冻胀的理论模型研究，本项目提出一个桥连式的冻胀理论模型。（2）路基冻胀理论模型的求解方法及路基冻胀变形计算方法研究。（3）实际研究，验证理论模型的合理性及计算方法的可靠性。.主要成果.（1）提出新的理论模型，即把路基土体划分为三个区：冻土区，未冻土区（融土）和冻结缘区，三个区域有各自不同的过程和机理，有各自的本质特征和主导作用，建立各自的控制方程，寻求不同的求解方法，用冻结缘区把两个区桥连接起来。.（2）提出冻胀理论模型求解的半解析有限元法，即对冻土区和为冻土区用有限元法求解，对冻结缘区作用一个超级单元，采用解析法求解，并设有上、下出口分别与冻土区、未冻区一起，在统一框架下求解，追踪冻胀的全过程。.（3）实验研究，拟进行一系列冻胀模型实验，以期对理论模型的验证与完善，以及对计算方法的评估。但由于冻胀设备更新及低温实验搬迁改造，故实验项暂无法完成，待其设备到位后，继续完成上述实验工作。.科学意义. 在已有的研究工作中，均把冻结缘作为可移动的连接条件，忽视了冻结缘区过程的本质和主导作用，因此建立的物理模型有不完善之处，也给计算方法及结果带来不确定因素。本研究把冻结缘作为特殊的超级单元，反映了冻胀过程的本质特征和桥连作用，也给求解方法建立提供理论依据。