青藏公路有上百公里修建在凍土區。凍土路基產生的變形與內地路基產生的變形不同。凍土路基隨著季節的交替發生凍結與融化的同時路面會產生相應的變形，并且這樣的變形隨著時間的推移還在持續不斷的變化。在同一路基橫斷面處，由于凍土路基溫度場和水分場分布的不同，路基表面會產生不均勻變形，即在道路橫向發生了變形。在青藏公路的不同路段，由于不同的路基填料、不同的路基高度、不同的多年凍土類型以及不同的路側積水等情況，會使得凍土路基形成縱向的波浪變形。

1 路基溫度場

溫度場的控制方程如下所示

由于凍土路基會存在凍結和融化過程，這就會伴隨著相變熱的產生，因此需要在傳統溫度控制方程中額外考慮相變熱的的影響。

路基的溫度場邊界比較復雜，本文采用第二類和第三類邊界條件，考慮太陽輻射、對流換熱和地面有效輻射的影響。太陽輻射主要影響大氣溫度變化，這里采用下式描述大氣溫度變化

對流換熱則采用下式描述

建立如圖所示的有限元模型

可以計算得到路基的溫度場分布和一年中路基的溫度變化如圖所示

2 水分場分析

凍土路基的變形與水的凍結和融化息息相關。所以分析凍土路基的變形時必須考慮水場分布的影響。

路基中水分場遷移可以通過達西定律來描述

由于凍土路基中，水分凍結后，水分會發生遷移，因此需要考慮相變對水分遷移的影響。

計算得到的飽和度分布如圖所示

3 變形場分析

凍土路基的變形包括融沉變形和車載變形。進行變形場分析時，采用摩爾庫倫準則

路面的車輛載荷采用脈沖載荷來模擬，如下圖所示

同時，水分的凍結時會產生凍脹變形，因此需要考慮凍脹率的影響。這里凍脹率選擇為0.03。

結合溫度場分析和水分場分析可以獲得路基的變形結果。

本文中，溫度場分析通過film子程序和dflux子程序定義溫度邊界，通過hetval子程序定義相變熱。變形場分析通過dload子程序定義車輛載荷，通過uexpan子程序引入凍脹影響。

原文鏈接：

http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1822630

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