多年冻土路基融化固结过程中孔隙水压力消散规律研究

According to the in-situ monitoring data, thaw settlement of the Qinghai-Tibet high way is one of the main reasons causing embankment damages. The embankment settlement and time for the embankment to accomplish consolidation depend on the dissipation of pore water pressure after frozen soil thawed. It is urgent to investigate the law of pore water dissipation and predict the infrastructure foundation thaw settlement precisely. This project will take the silty-caly along Qinghai-Tibet high way as studying object to investigate the effects of different initial conditions on pore water dissipation and distribution, by the application of a new apparatus developed by applicant; the previously developed 3-D large strain thaw consolidation theory will be modified based on testing results; by practical application cases of the modified theory and FLAC numerical simulating platform, the law of pore water pressure dissipation and permafrost embankment thaw settlement will be studied. The researching achievement will provide an essential technology support for the design, construction and maintenance in cold regions engineering.

现场监测表明，我国在青藏高原修建于多年冻土地区的公路路基的融化沉降是公路路基破坏的主要原因之一。多年冻土融化后孔隙水压力的消散决定着路基沉降量及沉降变形稳定的时间。揭示冻土融化后孔隙水压力的消散规律，准确预测构筑物基础融化沉降变形已成为一个急需解决的课题。本项目以公路沿线的粉质粘土为主要研究对象，采用申请人试制的融化固结孔隙水压力测量装置进行融化固结试验，进行不同干密度、融化速率和荷载作用下的冻土融化固结试验，分析融化固结过程中孔隙水压力消散和分布规律；利用试验结果修正作者提出的大变形融化固结理论；将修正的融化固结大变形模型在FLAC平台上进行数值化，并应用于分析实际的寒区工程。研究结果可为寒区工程的设计、施工和维护提供科学依据。

多年冻土的融化沉降是造成青藏公路和铁路破坏的主要原因之一。多年冻土融化后孔隙水压力的消散决定着路基沉降量及沉降变形稳定的时间。本课题基于负责人自主研发的融化固结孔隙水压力测试装置，研究了不同含冰量、压力和干密度条件下冻土试样不同层位处孔隙水压力的消散规律。试验结果表明，不同层位处孔隙水压力的消散取决于融化锋面的移动，即：随着融化锋面的接近相应位置处的孔隙水压力呈现出先增大之后逐渐消散的趋势；同时，对于相同条件的土样，不同层位处孔隙水压力消散曲线的峰值相同，这表明土体融化过程中融化锋面处的孔压峰值为常数。进一步对比理论计算结果表明，原有融化固结理论中采用的线性应力应变关系会过低的预测高含冰量土体的融化固结孔隙水压力。为了克服这一缺点，对负责人前期建立的三维大变形融化固结理论进行了修正，采用了非线性的应力应变关系。对比试验结果表明，非线性的应力应变关系能够很好地预测高含冰量土体孔隙水压力。在此基础上，结合先前建立的大变形融化固结理论建立了适用于周期温度边界的融化固结数值模拟平台，研究了实际工程中冻土路基的融化沉降规律。通过对比融化沉降的监测和计算结果表明，该数值平台无论在沉降量值以及发生时段方面都具有较高的预测准确性。基于该平台，对冻土路基的融化固结度进一步的分析计算表明，在周期温度边界的影响下，冻土路基的融化固结度持续降低，且其降低的速率与冻土路基下覆土体融化固结率的平均值呈良好的幂函数关系。这一研究成果很好地揭示了在一些多年冻土已经融化的路段其固结沉降还在持续发展的内在机理。