国道214线多年冻土地温分区与预测研究

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214国道,起点为青海省西宁,终点为云南景洪,全程3256千米。G214线进入青海后,平均海拔在4000米以上,属于高山寒带气候。G214沿线部分路段处于青藏高原多年冻土区,并位于青藏高原多年冻土带边缘,冻土主要以退化性多年冻土为主,冻土空间分布复杂,稳定性差,受公路影响多年冻土易产生变化,从而对工程带来诸多不利影响,公路病害发生占比高。  冻土中冰的存在是冻土区别于其它岩土体的最显著特征,也使得冻土对温度变化十分敏感;冻土的物理性质和工程性质均与温度密切相关;温度变化会导致冻土发生一系列的力学性质变化;多年冻土区路基病害发生的关键因素也是冻土温度;因此,研究G214线冻土温度随里程的分布以及冻土温度随时间的变化,可以明确冻土退化的历程;通过对G214线冻土地温进行分区,便于直观把握G214沿线地温分布情况;通过预测冻土地温随时间的变化,可以得到G214线多年冻土的发展变化规律,为工程设计以及工程建设提供重要依据。本文主要研究内容和成果总结有以下几个方面:  首先,依托共和至玉树公路项目,运用综合勘探手段沿G214线有针对性的进行冻土地质勘查,同时收集前期已有的地质资料,详细了解G214沿线冻土类型,宏观掌握了冻土空间分布状况,了解了冻土所在位置不同深度处的土质情况;同时对路基路面的破损状况进行了调查,利于综合分析G214线冻土状况。  第二,开展了G214沿线地温分区研究,通过年平均地温、冻土类型、土质类型以及公路常见病害等指标的量化处理,将G214线划分为7个地温区域。  第三,对不同地温分布区的冻土地温随时间的变化规律进行了分析,得到:从6m以下,不同测孔的地温均能各自保持在一定的温度不再发生变化;从6m到3m,天然孔与路中心孔不同深度的地温变化规律相同,但是普遍存在路中心孔变化幅度比天然孔大的特点;从3m以上,受诸多因素影响,天然孔与路中心孔的变化趋势各异。并计算得到7个地温分区的地温年均升温率;根据地温分布剖面曲线特点,将地温曲线沿深度方向划分为“地温波动区”与“地温稳定区”两大特征区域,研究将[0,b]段定义为地温波动区域,地温波动区域又分为[0,a]段的近地地温和[a,b]段的滞后地温,将[b,+∞]定义为地温稳定区,并给出了7个地温分区的地温分区界限;浅层地温受地表气温影响波动较为剧烈,在一定深度处地温逐渐趋于稳定,不同地温分区有各自的稳定地温深度,不同地温分区的稳定地温所处深度不同。由此给出了不同地温分区稳定地温与波动地温分界深度,分别为4.5m、5m、6m、8m不等,为建立地温曲线两阶段拟合模型做准备。  第四,根据不同区域冻土地温随深度的变化规律,应用拟合软件,以实测地温数据为依据,以稳定地温深度处的地温为节点,根据地温波动的具体情况,对地温波动区,采用非线性拟合算法进行曲线拟合,对地温稳定区,选用常函数进行拟合,最终分别得到7个地温分区的两阶段地温曲线拟合公式。同时选取了两个典型温度区域进行了数值模拟分析,结果表明不管是在基本不存在冻土的I区还是在冻土明显的Ⅳ区,路基的修筑对冻土层产生了很大的热扰动,因此需要在新修筑路基时采取必要的主动保护冻土的方案或措施,对G214线已经存在的旧的路基结构采取必要的辅助保护措施也是迫切需要解决的问题。  然后,根据地温随时间的变化规律,结合地温曲线拟合公式,得到7个地温分区的地温预测模型及参数;根据地温预测模型,可对G214沿线任意位置的地温情况进行预测,并给出了工程应用算例两则,验证了该预测模型的准确性及可靠性。  本研究对G214沿线冻土地温进行了划分,绘制了地温综合分区图,为工程设计以及工程建设提供更为直观便捷的参考;根据地温波动深度划分及两阶段拟合模型,对G214沿线冻土地温进行曲线拟合;对地温拟合模型进行平移变换,建立地温随时间变化的预测模型,该模型对G214沿线冻土地温的预测具有理论指导意义。同时建立了G214线多年冻土路基地温场的数学模型,并借助COMSOL软件实现了其数值解法,为G214线多年冻土区地温变化规律及路基修筑后的热稳定性预测提供了可行的方法。
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