冻融循环作用对多年冻土路基融化固结变形过程的影响研究

In permafrost regions, thaw consolidation is considered to be the main cause of embankment settlement. Little attention has been paid on the influence of freeze-thaw cycles on thawed permafrost layers. In this project, taking the typical silty clay and silt sand from Qinghai-Tibet Plateau as objectives, self-developed triaxial apparatus and thaw-consolidation device are employed to carry out some experiments to investigate the influence of freeze-thaw cycles on both residual effective stress and the relationship among “void ratio-effective stress-permeability”. On this basis, the well-known thaw consolidation theory is developed by revising the initial stress condition of the phase-change boundary and some key in-put parameters. After one-dimensional verification of the modified theory, a real road case with in-situ data including air temperature, geology, geotemperature and deformation is simulated to analyze the influence of freeze-thaw cycles on the process of thaw consolidation of the permafrost layer using Comsol Multiphysics. The results will be helpful not only for developing thaw-consolidation theory but also for providing a theoretical reference for road construction in permafrost regions.

在多年冻土地区，冻土融化固结变形是引起路基沉降的主要原因。已融化的多年冻土层发生固结变形的同时也受到冻融循环作用的影响，以往的研究很少予以考虑。本项目以青藏公路沿线多年冻土层内典型的粉质粘土和粉砂土为主要研究对象，采用自主研发的多功能冻土三轴试验机和冻土融化固结装置开展冻融循环作用下的冻土融化固结试验，研究冻融循环作用对残余有效应力和“孔隙比—有效应力—渗透系数”三者关系的影响规律；利用上述试验结果修正融化固结理论的融化边界的初始应力条件和关键参数；借助Comsol Multiphysics数值计算平台实现修正后融化固结理论的数值化，并结合已有的野外多年冻土路基的气温、地质、地温和变形等资料，分析冻融循环作用对实际冻土路基融化固结变形过程的影响。本项目成果将进一步完善融化固结理论，同时为寒区道路工程的变形预测和维护提供理论依据。

冻土融化固结变形长期以来一直被认为是引起冻土地区工程变形和失稳最主要原因之一。融化固结理论常常被采用来预测该变形，但是移动边界条件的不清和关键参数的选取误差降低了该理论的预测精度。本项目针对该理论中的这两点不足之处，以青藏高原粉质粘土为研究对象，开展了较为系统的研究，主要包括：1）残余应力和渗透系数随着含水（冰）量和冻融循环次数的变化规律；2）将水流方程作为移动边界条件；3）基于试验结果和前人相关研究对“应力/有效应力—孔隙率—渗透系数”三者关系框架的修改和完善；4）一维大变形融化固结理论的改进，以及该理论的数值化和应用。主要结论显示，残余应力与孔隙率关系密切但其与温度历史的关系不清；渗透系数随着孔隙率增大而增大，通常已融土的渗透系数比未冻土大，但是其随着冻融循环次数变化的规律并不明显；水流方程能够很好的反映冻土融化过程中已融区内孔隙水向冻结区迁移的现象；改进后的融化固结理论能够很好的反映冻融循环对多年冻土融化固结过程的影响。研究结果对于冻土地区基础设施建设具有较为直接的指导意义。