适用于高寒高海拔地区的装配式钢-混凝土组合桥梁结构形式研究

格尔木至拉萨高速公路(青藏高速)穿越大片多年冻土区,对在高寒高海拔特殊地区的桥梁结构方案必须予以分析。由于项目场地地质条件复杂,沿线生态环境敏感且处于地震高烈度区,钢-混凝土组合结构桥型方案成为推荐方案。对钢-混组合结构的钢材种类选择,冲击韧性要求,钢梁设计-制作-架设方案,横梁设计方法,材料用量指标等因素进行了参数化分析与计算。考虑到寒区的特殊环境,提出了一种适用于冻土区的中小跨径的整体装配式组合梁方案,其与一般的组合梁相比,具有工厂化程度高、单梁整体架设、施工速度快、现场作业少的特点。在路线平面无曲线弯斜条件下,冻土区采用整体装配式钢混组合梁方案,工程经济优势显著。

高原冻土区公路路基病害及工程对策

本文分析了青藏公路60多年来的历次改建及病害资料,以道路病害率为依据将青藏公路分为稳定区、基本稳定区、不稳定区和极不稳定区;选取了134 km典型病害路段,分析年平均地温、冻土上限退化速率、含冰量与道路病害关系,确定各因素影响下道路的平均使用年限;研究热棒、片块石、保温板、通风管路基处治效果,以及各处治措施实施后引发的新工程病害,分析新生病害的时间效应,并介绍了弥散式通风路基、单向导热板路基和路基路面一体化散热结构等适用于大尺度冻土路基的新型稳定技术。研究结果表明:年平均地温、冻土上限退化速率、含冰量等因素与道路使用寿命均为负相关关系,在各类处治措施中,热棒、片块石、保温板、通风管加片块石对病害预防的有效率较高。

多年冻土区高速公路路基新结构工程示范研究

为研究适用于多年冻土区高速公路的路基调控结构,对片块石-通风板复合路基、强制弥散式通风路基、通风管路基、单向导热路面-片块石路基4种新型结构,依托共玉高速公路进行了宽12.25m的分幅示范研究。依托花大高速公路,对填土路基进行了宽24.5m的整体式路基示范研究。研究结果表明:5种路基结构都能满足高速公路大尺度路基的调控要求,在示范过程中对其工程可行性进行了论证,提出了每种新结构的施工关键技术和控制指标,显著提升了施工效率和质量,通过2年的通车运营,示范工程全段整体技术状况良好,5种新结构目前已在青藏高速公路勘察设计中应用。

200型装配式公路钢桥安全性评价及工程应用

为了评价装配式公路钢桥的安全性,使用公路钢桥结构可靠度理论和桥梁安全评价等级研究200型装配式公路钢桥。借助Matlab和Midas有限元软件,建立基于结构可靠度的极限状态方程,求解出可靠度指标;制定安全评估方法,并以工程实例进行验证。结果表明:安全性评估方法能够合理地对装配式钢桥的安全性能做出评价,可供同类工程参考。

高寒隧道保温结构的优化设计研究——以西藏圭嘎拉隧道为例

为了提高季节冻土隧道的防冻保温性能,常采用铺设聚氨酯类有机保温层的方式以防止围岩冻结,但由于有机材料在冻融循环过程中老化速度快、保温结构设计缺少科学依据等局限性,使得部分隧道在长期运营过程中反复出现冻融病害。以西藏圭嘎拉隧道为研究对象,通过建立热流固耦合计算模型,对现行保温措施的防冻效果进行分析,发现距离洞口一定长度范围内的围岩仍会发生冻融破坏。在隧道运营后第20年2月15日,距洞口5m处断面拱顶围岩的边界温度仅为-0.91℃,并且该关键位置的纵向冻结长度超过500m,严重影响隧道结构的安全。为防止此隧道出现冻害问题,提高其服役能力,拟采用新型无机建筑材料气凝胶毡对隧道的保温结构进行加固,其具有良好的保温、阻燃和耐久性能,并且铺装简便、易于操作。此外通过对不同厚度气凝胶毡条件下的围岩温度场进行多维度分析,确定了最不利时刻气凝胶毡厚度与拱顶围岩关键位置纵向冻结长度之间的关系。研究成果可为圭嘎拉隧道防冻保温优化设计提供技术支持,不仅能保障隧道结构的安全性和稳定性,也能为季节冻土隧道保温结构的设计、施工及维护提供参考依据。

基于性能的通航桥梁抗船撞评估方法及应用研究

为合理有效地开展通航桥梁抗船撞性能评估,提出基于性能的桥梁抗船撞标准化评估方法。基于现行《公路桥梁抗撞设计规范》(JTG/T 3360-02-2020),从抗撞性能等级确定、设防代表船型确定、船撞力计算、船撞效应计算以及抗撞性能验算等方面,采用结构性能目标作为评估准则,建立桥梁抗撞性能评估各环节流程的标准化评估方法。以江苏扬中三桥为应用实例,运用该方法进行该桥20号墩抗撞性能评估,结果表明:20号墩桩基顺桥向抗弯性能不满足JX1级要求,其余验算结果满足要求,桥墩抗撞性能综合评估结果为不满足要求。参照评估结果该桥加装了浮动式防撞设施。桥梁抗撞性能评估标准化,可准确高效实现桥梁抗撞性能等级确定、船撞效应计算、抗撞性能验算等预期的评估功能要求。

径流冲刷对高寒高海拔地区高等级公路边坡侵蚀的影响

为阐明高寒高海拔地区高等级公路边坡侵蚀规律,为防治公路边坡水土流失提供理论依据,以青海省共和至玉树公路路基裸露边坡为研究对象,采用野外径流冲刷试验分析了汇流对高寒高海拔地区公路边坡的侵蚀规律与防护策略。分析结果表明:6.0、10.0、14.5L·min^(-1)流量下产流时间较3.5L·min^(-1)流量下产流时间分别提前了23.83、107.63、108.13s,冲刷流量越大,产流时间越短;3.5、6.0、10.0、14.5L·min^(-1)流量下总产沙量分别为14.65、20.42、43.61、32.20kg,产沙量先增大后减小;累积产流量与累积产沙量的关系满足幂函数形式;冲刷流量与侵蚀产沙量呈显著正相关。可见有效减少路面径流是减少高速公路边坡侵蚀量的关键,配套排水措施应具有迅速将路面汇流汇集排出的功能;高寒高海拔地区边坡防护应减少圬工防护措施,在边坡植被恢复时应采用合理的覆盖措施及固土措施。

青藏高寒高海拔地区宽幅公路沥青路面力学响应

为深入研究青藏高寒高海拔地区宽幅公路沥青路面力学响应,以指导该区域宽幅公路沥青路面结构设计、路基填挖形式及高度选择。将基于欧拉描述的大变形固结理论应用于冻土融化固结分析,研究融沉作用下路基高度、路面结构形式、宽度、厚度及模量对宽幅公路沥青路面力学响应的影响规律,并基于多目标规划理念,提出以沥青层底拉应变及路表差异沉降量综合最小为目标的力学响应综合评价指标P,用以评价路面综合力学响应。结果表明:柔性基层沥青路面沥青层底拉应变随路表差异沉降量呈先增大后减小的变化规律,倒装式、半刚性及复合式基层沥青路面、半刚性底基层层底拉应力则随其呈线性增大趋势;融沉作用下,ATB-25层底横向拉应变小于不考虑冻土融沉作用时;年均气温为-3.5℃、-4.5℃时,半刚性底基层横向拉应力显著大于不考虑冻土融沉作用时;P均值随路面宽度增大而增大,且22.5m时增大最显著;填方路基P均值随填方高度增大先减小后增大,高度为1m时最大,2m时最小,此后逐渐增大;挖方路基P均值随挖方高度增大而增大,高度为1m时最小,2m时显著增大。从路面力学响应角度,建议多年冻土区宽幅公路应尽量减小路面宽度,不宜大于17.5m;路基填方高度不宜小于2m,挖方高度宜为1m以下;对于年均气温-3.5℃、-4.5℃地区,路面结构形式宜选取柔性基层沥青路面。

青藏工程走廊热融滑塌灾害勘设要点与工程处治措施研究

热融滑塌是多年冻土地区广泛发育的低角度热融灾害,对青藏高速公路的选线、勘察、设计、施工和运营均有较大的影响。基于青藏工程走廊热融滑塌灾害的地调数据,该文开展了青藏高速公路沿线典型热融滑塌灾害勘设要点与工程处治措施的研究。结果表明:基于运动方式可以将热融滑塌划分为坍塌沉陷式和牵引滑动式两类,其形成过程归结于质点迁移效应和滞水润滑效应;严禁对热融滑塌区域进行扰动,可以结合遥感、无人机以及地球物理技术进行综合勘查。与此同时,在设计阶段应根据热融滑塌的类型开展相应的绕避、架空以及排水等工程措施研究;对热融滑塌的处治宜采用综合防治体系,并加强对灾害的监测与预报。

青藏工程走廊带多年冻土导热系数测试方法对比研究

为分析不同测试方法对青藏工程走廊带内多年冻土导热系数测试结果的影响规律,指导冻土工程的热工设计和为走廊带内冻土导热系数的测试方法选择提供依据,搭建了稳态对比法、稳态热流计法、瞬态平面热源法和瞬态热线法冻(融)土导热系数试验测试平台,运用理论模型对稳态对比法测试过程中径向漏热量进行了估算,分别从测试结果准确性、适用土性类别和适用场合等方面对各类测试方法进行了对比。结果表明:稳态对比法试验结果与文献理论值相差较大,测试过程中径向漏热量无法忽略;稳态热流计法和瞬态平面热源法的测试结果与理论计算值具有较好的一致性,80%以上的测量值与理论值相对误差小于±15%;瞬态热线法测试结果整体偏小,冻、融土平均偏小17.75%和15.03%.考虑到瞬态平面热源法测试结果准确,测试时间短,样品需求量小,因而是一种合适的青藏工程走廊带冻(融)土导热系数大规模测试方法。

昆仑山地区冻融土导热系数试验测试与预测模型研究

为探究青藏高原工程走廊带昆仑山地区冻融土导热系数基本特征,采用瞬态平面热源法对钻取的349组冻土试样和245组融土试样导热系数进行了测试,分析了五类土导热系数分布特征及天然含水率、干密度与导热系数的偏相关性,并以两者为变量因素建立了经验公式拟合、支持向量回归(SVR)和径向基(RBF)神经网络导热系数预测模型。结果表明:冻融土导热系数整体均呈粗颗粒土大于细颗粒土特征,且冻土和融土导热系数随土性分布规律存在差异;天然含水率、干密度与导热系数均呈正相关性,不同土类偏相关性结果差异明显,典型土导热系数二元经验回归方程表现为非线性拟合结果。对比三种预测模型下各典型土冻融土导热系数预测结果,全风化千枚岩、角砾及砾砂三种预测模型效果整体较佳,粉土的SVR及RBF神经网络预测精度较好;融土导热系数预测效果整体略优于冻土,SVR及RBF神经网络模型下角砾、粉土及全风化千枚岩融土导热系数预测精度较高。综合导热系数模型预测效果和误差结果分析可得,SVR和RBF神经网络模型预测效果显著优于经验方程拟合,后者针对部分土性拟合效果相对较好,可满足一般工程估算需求;SVR和RBF神经网络预测模型针对不同土性导热系数预测效果呈差异性变化,整体预测效果相当,且预测精度更高、应用土性范围更广。

气候变暖背景下拟建青藏高速公路沿线典型区段多年冻土未来50年退化特征

选取青藏高速公路沿线4个典型区段,采用数值预测方法,预测4种气候变暖情景下未来50年多年冻土的退化特征。结果表明:初始多年冻土地温越低,对气候变暖的敏感性越弱;随着初始多年冻土地温的升高,多年冻土对气候变化的主要响应方式由年平均地温升高向上限下降、下限抬升转变。A2情景下冻土退化最严重,线性情景和B1情景多年冻土退化较为温和。到2064年时,A2情景下安多冻土厚度减薄7.94m,风火山年平均地温升高1.34℃。未来青藏高原低温多年冻土向高温多年冻土转变,冻土厚度减薄,活动层厚度增加,在线位选择和结构设计中应引起充分的重视。

青藏工程走廊冻融土热扩散系数特性与预测模型研究

热扩散系数是多年冻土对外界热扰动敏感程度的重要影响参数之一,也是寒区工程设计与建设的关键基础数据。基于瞬态平面热源法导热系数测试结果和质量加权法计算获取的比热容理论值,计算获得青藏工程走廊西大滩—唐古拉山沿线典型类别土样热扩散系数,分析对比了走廊带内冻融土热扩散系数的分布特征和参数影响规律,提出了基于经验拟合公式法和RBF神经网络方法的冻融土热扩散系数预测模型,并比较了不同预测模型的预测效果。研究结果表明:青藏工程走廊带内土的热扩散系数与粒径整体呈正相关性,融土热扩散系数按黏性土、粉土、全风化岩类、砂土及碎石土依次增大,冻土热扩散系数按黏性土、全风化岩类、粉土、碎石土及砂土依次增大;热扩散系数与容重及天然含水率相关性随土类及冻融状态差异明显,冻、融土热扩散系数呈显著正线性关系;以融土热扩散系数为拟合参数的冻土热扩散系数三元预测模型的预测精度明显高于二元经验公式;RBF神经网络模型在冻、融土热扩散系数预测中均具有最优的预测精度,为最佳预测模型。

气候温升背景下青藏工程走廊带多年冻土热融蚀敏感性分布预测研究

为揭示气候温升背景下青藏工程走廊带多年冻土热融蚀敏感性分布规律,基于现有地温分布、活动层厚度的野外监测数据建立了二者与热融蚀敏感性之间的多元回归模型,并采用开放系统地气耦合模型对2016年以后气候温升模式下多年冻土年平均地温和活动层厚度变化进行数值研究,进而获得未来20 a和50 a青藏工程走廊带多年冻土热融蚀敏感性分布预测图.研究结果表明,走廊带内冻土年平均地温越低,受气候温升的影响越大,而活动层厚度则随地温和气温的升高而增大,年平均气温-5.5℃工况下,其年平均地温和活动层厚度增幅分别为0.0154℃/a和0.86 cm/a;融区和高温冻土区主要分布在走廊带沿线的河流、谷地和盆地等区域,且随着气温的逐年增加,预计2066年低温冻土区域比例将减少52.1%,高温冻土区域和融区面积比例总计将增加74.7%;走廊带内多年冻土的热融蚀敏感性将大幅增加,且极敏感型冻土的增加比例将随时间而加速增长,到那时极敏感型冻土比例将增长1倍以上,敏感型和极敏感型冻土将占整个走廊带内多年冻土区的78%以上.

SAC沥青路面在高原多年冻土区适应性试验研究

针对高原多年冻土区公路对沥青混合料性能的高要求,从矿料级配角度出发,试验选取多碎石沥青混合料(SAC)和沥青玛蹄脂混合料(SMA)作为高原多年冻土区沥青路面的路用性能试验用料,用密级配AC-13进行对比。试验结果表明:SAC-13与AC-13破坏弯拉应变差异并不明显,而SMA-13的破坏弯拉应变较AC-13降低20.7%。三种级配沥青混合料动稳定度由高到底依次为SAC-13,SMA-13和AC-13,选用的两种抗滑表层较密级配AC-13动稳定度提高了一倍左右;三种级配沥青混合料的水稳定性基本相当。高原多年冻土区沥青路面病害主要以低温病害为主,因此SAC-13级配沥青混合料在高原多年冻土区公路沥青路面应用更具合理性。

基于RBF神经网络青藏工程走廊重塑砂土导热系数试验研究

为探究RBF神经网络对青藏工程走廊带冻融砂土导热系数预测效果,采用瞬态平面热源法测试了362个试样导热系数。建立了以含水率和干密度为输入因子的冻融砂土导热系数预测模型。结果表明RBF神经网络可有效预测青藏工程走廊带内冻融砂土导热系数,为冻融土导热系数预测提供了新的思路。

多年冻土公路路基水分迁移规律与成灾机制研究

多年冻土水热状况是影响路基稳定性的关键因素。为探明路侧积水对多年冻土路基长期稳定性的影响,首先基于青藏公路长期病害调查与水热监测数据,采用数理统计方法分析了路基积水发育状况与路基病害之间的相关性。其次构建了多年冻土路基路侧积水水热模型,分析了多年冻土公路路基水分迁移规律,得到了积水入渗情况下的路基长期变形机理。最后结合现有工程建设,提出了多年冻土地区路侧积水处治原则与防治建议。结果表明:青藏公路病害大致可分为沉陷、裂缝和翻浆3类,分别占路基病害总数的71.2%, 17.1%和11.7%;在路侧有积水的情况下,病害率平均高出50%左右;路侧积水对路基病害的影响主要体现为:水分渗透路径越短,路基高度越高,多年冻土地基含水率越高,路基病害发生几率越大;积水在路侧10 m范围内时病害率在20%以上,在10~30 m范围时病害率在5%~10%之间,在大于30 m范围时保持在5%左右;多年冻土路基含水率小于25%时,病害率不到10%,含水率处于25%~35%之间时,病害率在15%以上,含水率大于35%时,超过35%路段出现病害;在路侧积水入渗情况下,路基长期变形呈现出震荡增长的趋势,20 a内路基含水率为25%, 35%和45%时,长期沉降量分别达21.8, 25.6, 27.6 cm,路基工后沉降较大。基于上述研究结果提出的采用冲击碾压、抛石挤淤、以桥代路等工程处治措施,可为多年冻土地区公路新建和改扩建工程提供参考和借鉴。

近相变区细砂土导热系数试验及预测模型研究

近相变区冻土导热系数是影响寒区岩土工程热稳定性的关键物性参数,针对该温度区间冻土导热系数难以精确测量的问题,提出了一种稳态热流计法试验获得导热系数、量子粒子群寻优算法近似回归定性温度的近相变区冻土导热系数测试方法,采用核磁共振技术对细砂土近相变区未冻水含量进行测试并探究了其与导热系数的关系,分析了负温区细砂土导热系数的分布特征和参数影响规律,建立了不同温度区间的导热系数预测模型。结果表明:负温区细砂土未冻水含量变化曲线与其导热系数呈现出极为相似的变化规律,温度-导热系数曲线可划分为-3.2℃为界的近相变区和稳定相变区;冻结细砂土导热系数的增幅区间主要发生在近相变区,增长幅度约占整个负温区导热系数总增幅的50%,且随温度降低,导热系数的增幅逐渐减小;预测模型平均相对误差为4.14%,±10%误差内占比为94.7%,稳定相变区确定系数R2为0.892,近相变区确定系数R2为0.883,证明了该模型具有较好的准确性。研究成果可为寒区工程温度场的计算与分析提供基础参数,亦可为寒区重大基础设施精细化设计和冻土风险精细化防控提供数据支持。

高寒高海拔多年冻土区拓宽路基差异沉降

为了研究高寒高海拔多年冻土区拓宽路基面层吸热对下伏多年冻土温度与沉降的影响,建立了基于热力耦合理论的差异沉降计算的有限元模型,并利用实体工程监测数据对模型进行了修正,分析了不同季节、不同填高与阴阳坡工况下拓宽侧路基差异沉降分布规律,确定了多年冻土区最优路基拓宽位置。研究结果表明：多年冻土区拓宽路基最大融深与沉降均出现在秋季,10月份的变形最不利,病害特征最突出,其中4m填高路基第10年最大差异沉降为16.9cm,分别为7、1、4月份沉降的1.1、1.4、1.7倍;差异沉降与路基填高存在正相关性,当路基填高分别为2、4、6 m时,10年内路基的差异沉降分别为13.2、16.9、18.1cm;阴坡侧拓宽路基的温度与沉降变化小于阳坡侧,在10年内,阳坡侧拓宽路基底面最大升温为1.3℃,阴坡侧为0.6℃,阳坡侧拓宽路基最大差异沉降为16.9cm,阴坡侧为12.3cm;即使阴坡侧拓宽,差异沉降仍使拓宽路基顶面形成一个斜率为2%~3%的斜坡,进而使路面产生较大附加应力,最终造成结构层病害。

冻土路基热收支状态尺度效应的显著性分析

基于最大融化深度、基底总吸热量、冻土融化潜热和热融蚀敏感系数四个指标,从高度效应、宽度效应、坡度效应和冻土年平均地温方面综合阐述了冻土路基热收支的尺度效应。同时基于统计学原理,对影响冻土路基热收支尺度效应的因素进行显著性分析,探究多因素交互作用的效应性。结果表明:路基高度对最大融化深度的影响最大,冻土年平均地温对基底总吸热量的影响最大,路基宽度和冻土年平均地温对冻土融化潜热量的影响最大,路基高度和路基宽度对冻土融化潜热量的影响最大。研究冻土路基热收支尺度效应,应综合考虑多因素之间的交互作用。