季节冻土区道路设置冷阻层治理路基冻害机理研究

Frost damage of seasonal frost area is common diseases of affecting the road safety operations. The main reasons are the inner factors of the subgrade soil and the external environmental factors. This subject on the basis of existing study proposes new roadbed structure of setting cold resistance layer in order to reduce the freezing index of the upper embankment ,ease the freezing rate, decrease the freezing depth. We want to improve or totally avoid freezing the sensitive soil embankment. With using the modified Berggren equation to get freeze index and the theoretical thickness of the cold resistance layer, we do the outdoor frost insulation experiment to get the insulation effect and detailed study on the temperature and moisture field characteristics of the new roadbed. In this paper. It uses numerical methods and two-dimensional basic equations of water thermally transport to calculate the coupled temperature field and moisture field. Also this analysis can make predictions for hydro-thermal conditions after several years. Meanwhile we can evaluate the durability of the cold resistance layer through the self-made freeze-thaw cycle test machine. As for the overall stability of the insulation layer, it applies multiple layered elastic theory and numerical method to analyze the horizontal and vertical deformation and the bottom tensile stress of the optimal thickness insulation under the load.

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。

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。