季冻区在建高铁路基越冬秸秆覆盖效果分析

【摘要】：修筑在深季节冻土区的高铁路基,如果按设计完成施工,则可以保证最大冻深在防冻层内,不会进入下部高含水量、高冻胀率的原始地层。但在实际工程施工过程中,由于种种原因,经常会遇到冻结前只完成填筑部分路基的情况。此时,如果在无保护措施的情况下越冬,则路基下高含水量、高冻胀率的原始地层将进入冻结状态,可能导致已填筑部分路基填料层发生不均匀变形、压实度降低等问题,影响工程质量。为避免最大冻深达到路基之下,根据当地资源条件,采用秸秆材料覆盖路基,是一种经济有效的防冻害工程措施。本文通过利用商用软件分析秸秆覆盖下路基的热状况,提供秸秆覆盖措施的工程设计参数。含水量直接影响土体的导热性能。首先建立天然场地模拟降雨过程的模型,得出地下水位线年变化趋势,与实测水位对比,得出结论:在夏季模拟水位线与实测水位大致相同,在冬季模拟水位略高于实测值。据此说明所选参数和所建模型较好的模拟了实际情况,同样方法计算得出路堑开挖后的边坡含水量分布,为确定边坡土体的热参数做准备。建立完整路基温度场的模型,根据含水量与热物理参数的关系,确定热参数值,计算结果与现场监测的温度数据对比,结果表明:路基中心线处的温度与实测数据吻合较好;但在路基两侧边缘处,模拟温度场与实测温度场有一定偏差。说明所选计算模型及相应参数可以用于分析秸秆覆盖下路基的温度状况。利用所选计算模型及相应参数,对秸秆覆盖下路基的热状况进行了模拟。结果显示在无覆盖的情况下,对填筑至设计高度2/3以下的路基,最大冻深均有可能进入下部高含水量、高冻胀率的原始地层,从而引起工程问题。在填土高度一定时,计算小麦和水稻两种秸秆同一覆盖厚度下温度场的变化,结果表明小麦秸秆的保温效果比水稻的更好;对不同覆盖厚度下计算,结果表明最大冻结线随着覆盖厚度的增加而上移,存在最小临界覆盖厚度;对同一厚度不同含水量和压实密度的秸秆覆盖下计算表明,含水量和压实密度的变化对覆盖效果的影响很大;对填筑至不同高度的路基,以最大冻深不进入路基填料之下为判据,分别计算地表为平均温度、最低温度和极端最低温度对应的最小覆盖厚度。这一结果对实际工程设计有一定参考价值。 【关键词】：深季节冻土区 高铁路基 防冻害 秸秆覆盖 数值计算
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U213.1
【目录】：

• 中文摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 绪论9-24
• 1.1 选题背景及意义9-13
• 1.1.1 寒区高铁的分布9-10
• 1.1.2 寒区高铁的冻胀及防治措施10-12
• 1.1.3 季冻区路基在建过程中的问题12-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.2.1 影响路基冻胀的主要因素13-14
• 1.2.2 地面覆盖技术的应用14-16
• 1.3 哈大高铁工程概况16-22
• 1.3.1 试验段的气象、水文、地质条件16-19
• 1.3.2 试验段路堑路基的温度测试19-20
• 1.3.3 试验数据的处理20-22
• 1.4 本文的主要研究工作22-24
• 1.4.1 主要研究内容22-23
• 1.4.2 研究意义23
• 1.4.3 研究思路23-24
• 第二章 季冻区路堑水分场的数值模拟24-38
• 2.1 Geo-studio软件概述24-25
• 2.1.1 SEEP/W软件的特点24
• 2.1.2 SEEP/W数值模拟的基本原理24-25
• 2.2 理论模型25-27
• 2.2.1 基本假定25
• 2.2.2 非饱和渗流的基本微分方程25-26
• 2.2.3 定解条件26-27
• 2.3 物理模型27-33
• 2.3.1 几何模型27-28
• 2.3.2 材料参数和性质28-31
• 2.3.3 初始和边界条件31-33
• 2.4 计算结果分析33-34
• 2.5 路堑边坡的水分场分析34-37
• 2.5.1 几何模型34-35
• 2.5.2 初始和边界条件35-36
• 2.5.3 渗沟填料的土水性质36
• 2.5.4 计算结果分析36-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第三章 路基的热状况模拟与对比分析38-51
• 3.1 TEMP/W软件的特点38-39
• 3.1.1 Temp/W数值模拟的基本原理38-39
• 3.2 理论模型39-42
• 3.2.1 基本假定39-40
• 3.2.2 温度微分控制方程40-41
• 3.2.3 定解条件41-42
• 3.3 物理模型42-46
• 3.3.1 几何模型42
• 3.3.2 土体热物理参数42-44
• 3.3.3 边界条件44-46
• 3.4 计算结果分析46-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第四章 在建路基的秸秆覆盖效果数值模拟51-63
• 4.1 在建路基的温度场分析51-52
• 4.1.1 物理模型51
• 4.1.2 计算结果分析51-52
• 4.2 路基以下土体冻胀的危害52-53
• 4.3 路基保温措施的应用53-56
• 4.3.1 常用的路基保温材料53-54
• 4.3.2 生物质材料的选取54-56
• 4.4 秸秆覆盖下的温度场数值模拟56-62
• 4.4.1 物理模型56-57
• 4.4.2 秸秆热物理参数的选取57
• 4.4.3 计算结果的分析57-62
• 4.5 本章小结62-63
• 第五章 结论与展望63-65
• 5.1 结论63-64
• 5.2 展望64-65
• 参考文献65-70
• 致谢70

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