中國(guó)青藏鐵路北麓河路基凍土動(dòng)應(yīng)變速率試驗(yàn)研究

闡述了青藏鐵路北麓河試驗(yàn)段路基保溫材料試驗(yàn)段路基結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方案。通過(guò)試驗(yàn)路基建成一年以來(lái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)路基下伏多年凍土的變化動(dòng)態(tài)、通過(guò)保溫板的熱收支、保溫板上下面的積溫等進(jìn)行了初步分析。分析結(jié)果表明:路基保溫材料處理措施在一定程度上具有保護(hù)多年凍土的作用,對(duì)于高路基原天然地表下活動(dòng)層內(nèi)會(huì)形成持久的零溫帶;進(jìn)入保溫板的熱量在路基陰陽(yáng)面呈現(xiàn)不對(duì)稱,陽(yáng)面吸熱明顯大于陰面。

利用五道梁氣象觀測(cè)站1973—2015年43a的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(風(fēng)速、風(fēng)向、能見(jiàn)度、相對(duì)濕度),分析了北麓河段的風(fēng)況特征。研究結(jié)果顯示:北麓河地段屬于高風(fēng)能環(huán)境,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)閣、wnw,大風(fēng)主要集中在11月~12月(冬季),1月—3月(春季)。2000年后風(fēng)速趨于穩(wěn)定,而沙害程度加深,造成該現(xiàn)象的原因是溫度的升高,凍土層和表層冰雪消融,導(dǎo)致表層土壤松散,沙物質(zhì)增多。北麓河段主要害風(fēng)風(fēng)向?yàn)閣和wnw,故北麓河南北兩岸所受沙害程度差異不大,建議適當(dāng)增加北岸沙障數(shù)量,減少南岸沙障排數(shù)；在北麓河段的東西向上,采取以輸沙為主的防沙措施減少河岸附近沙障的積沙。

考慮相變和全球氣溫升高的影響,利用數(shù)值分析方法,對(duì)青藏鐵路目前惟一的l型支擋結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)建立路基溫度場(chǎng)有限元模型,選取適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件、初始條件及熱學(xué)計(jì)算參數(shù),計(jì)算北麓河試驗(yàn)路基斷面10a內(nèi)的地溫變化情況,并與2a的地溫實(shí)際測(cè)試資料進(jìn)行對(duì)比分析。凍土融化深度數(shù)值計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好,反映地溫對(duì)氣溫變化的滯后響應(yīng)特性,表明計(jì)算模型是可信的,計(jì)算結(jié)果可供參考。未來(lái)10a的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明:最大融深(或凍土上限)沒(méi)有下降,表明凍土已經(jīng)形成新的平衡,凍土上限穩(wěn)定?？梢灶A(yù)見(jiàn)該土工結(jié)構(gòu)最終會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài),表明l型這種柔性支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)用于多年凍土地區(qū)是適宜的。

通過(guò)對(duì)青藏鐵路清水河段站場(chǎng)路基的初步試驗(yàn),獲取了地溫變形數(shù)據(jù),探討站場(chǎng)路基的凍結(jié)和融化過(guò)程的規(guī)律.實(shí)驗(yàn)表明:站場(chǎng)路基下凍土人為上限發(fā)生了上移,多年凍土得到了保護(hù),為類似路段多年凍土工程提供借鑒.

基于青藏鐵路北麓河試驗(yàn)段塊石路基與普通路基3個(gè)完整凍融循環(huán)周期內(nèi)的地溫?cái)?shù)據(jù),對(duì)比分析了兩種路基下原天然地面處與原凍土天然上限處的地溫變化過(guò)程以及路基不同部位下部土體的地溫年際間變化過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果表明:塊石路基下降溫趨勢(shì)明顯且低于普通路基,原天然地面處低0.4～0.9℃,原天然凍土上限處低0.3～0.6℃。塊石路基下部土體降溫范圍與降溫幅度均大于普通路基,塊石路基右路肩下部土體降溫范圍大于普通路基3m,塊石路基中心下部土體降溫范圍大于普通路基2m。塊石路基下部土體通過(guò)塊石層與外界氣體發(fā)生熱交換強(qiáng)度不一致,右路肩下部最強(qiáng),路基中心下部次之,左路肩下部最弱。

在環(huán)境溫度季節(jié)性變化的條件下進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn),探索了模擬凍土路基活動(dòng)層形成的試驗(yàn)方法,研究了青藏高原多年凍土區(qū)路基活動(dòng)層的形成活動(dòng)規(guī)律。試驗(yàn)表明:活動(dòng)層從初始形成到基本穩(wěn)定過(guò)程中,近地表土層對(duì)外界溫度場(chǎng)的變化響應(yīng)靈敏,隨外界溫度的改變出現(xiàn)規(guī)律的波動(dòng);深層土層對(duì)外界溫度的變化表現(xiàn)出滯后性,溫度曲線波動(dòng)幅度較小;活動(dòng)層在趨于穩(wěn)定的過(guò)程中土層的溫度特征呈現(xiàn)出較為明顯的區(qū)域相似性,在一定外溫影響范圍內(nèi)土層溫度場(chǎng)變化規(guī)律接近;在環(huán)境負(fù)溫的初期表層土層迅速降溫,活動(dòng)層厚度開(kāi)始逐漸減小。受外界氣溫及深層凍土冷源作用的共同影響,活動(dòng)層凍結(jié)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)從上下邊界同時(shí)凍結(jié)的現(xiàn)象,加快了活動(dòng)層的凍結(jié)速度。

通過(guò)青藏鐵路沿線典型凍土路段熱棒試驗(yàn)路基和對(duì)比路基的地溫及變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),研究熱棒對(duì)多年凍土路基的保護(hù)效果。通過(guò)對(duì)埋置在正線試驗(yàn)路基左側(cè)不同規(guī)格熱棒周圍地溫的監(jiān)測(cè),研究熱棒構(gòu)造對(duì)路基降溫效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,熱棒顯著抬升路基下部多年凍土的天然上限,其最大平均抬升值達(dá)1.66m;斜插方式埋置熱棒能使最大融化深度曲線更快地趨于平緩,達(dá)到對(duì)路基下部多年凍土的整體保護(hù);熱棒路基的累計(jì)變形遠(yuǎn)小于未設(shè)置熱棒的對(duì)比路基;熱棒的產(chǎn)冷功率越大,其降溫效果越好,降溫范圍也越大。

凍脹和融沉是影響寒區(qū)路基穩(wěn)定性的兩大問(wèn)題.對(duì)于多年凍土到融區(qū)過(guò)渡段路基,除考慮凍脹和融沉外,還應(yīng)考慮多年凍土區(qū)和融區(qū)路基沉降變形差和凍脹變形差問(wèn)題.根據(jù)青藏鐵路沱沱河試驗(yàn)段路基在竣工后3a內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析了有代表性路基的地溫變化、路基基底變形以及整個(gè)試驗(yàn)段的凍脹、沉降變形差問(wèn)題,計(jì)算出了多年凍土與融區(qū)過(guò)渡段路基的合理長(zhǎng)度.結(jié)果表明:多年凍土與融區(qū)過(guò)渡地帶沉降總變形量相差較大,但從年沉降速率來(lái)看,路基不會(huì)產(chǎn)生突降,且隨著沉降速率逐漸減小,路基趨于穩(wěn)定;試驗(yàn)段內(nèi)凍脹量差異不大,不會(huì)影響線路平順度.對(duì)于本試驗(yàn)段此類工程地質(zhì)條件,可以采用允許多年凍土融化原則的工程措施.

在環(huán)境溫度季節(jié)性變化的條件下進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn),探索了模擬凍土路基活動(dòng)層形成的試驗(yàn)方法,研究了青藏高原多年凍土區(qū)路基活動(dòng)層的形成活動(dòng)規(guī)律。試驗(yàn)表明：活動(dòng)層從初始形成到基本穩(wěn)定過(guò)程中,近地表土層對(duì)外界溫度場(chǎng)的變化響應(yīng)靈敏,隨外界溫度的改變出現(xiàn)規(guī)律的波動(dòng);深層土層對(duì)外界溫度的變化表現(xiàn)出滯后性,溫度曲線波動(dòng)幅度較小;活動(dòng)層在趨于穩(wěn)定的過(guò)程中土層的溫度特征呈現(xiàn)出較為明顯的區(qū)域相似性,在一定外溫影響范圍內(nèi)土層溫度場(chǎng)變化規(guī)律接近;在環(huán)境負(fù)溫的初期表層土層迅速降溫,活動(dòng)層厚度開(kāi)始逐漸減小。受外界氣溫及深層凍土冷源作用的共同影響,活動(dòng)層凍結(jié)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)從上下邊界同時(shí)凍結(jié)的現(xiàn)象,加快了活動(dòng)層的凍結(jié)速度。

針對(duì)青藏鐵路北麓河試驗(yàn)段通風(fēng)管路基結(jié)構(gòu)的工程效果,基于試驗(yàn)路基在第一個(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)的溫度監(jiān)測(cè)資料,初步分析了路基溫度的發(fā)展與溫度場(chǎng)分布特征,并對(duì)通風(fēng)管鋪設(shè)位置、高度等的影響進(jìn)行了初步分析。結(jié)果表明,通風(fēng)管在路基具有保護(hù)多年凍土的作用,同時(shí),管徑較大的通風(fēng)管工程效果相對(duì)較好,通風(fēng)管埋設(shè)位置低的路基工程效果要優(yōu)于通風(fēng)管埋設(shè)位置高的路基。

青藏鐵路——世界凍土工程博物館 關(guān)鍵詞：青藏高原、凍土、地基、片石層通風(fēng)路基、熱棒等 青藏高原是世界上面積最大、海拔最高的高原，地理位置獨(dú)特，自然環(huán)境惡 劣，地質(zhì)條件復(fù)雜，素有“世界屋脊”、“地球第三極”之稱。青藏鐵路格拉段將 穿越約547km多年凍土地段，另有部分島狀凍土、深季節(jié)凍土、沼澤濕地和斜 坡濕地，全線線路海拔高程大于4000m地段約960km，在唐古拉山越嶺地段， 線路最高海拔為5072m，為世界鐵路海拔之最?！案咴焙汀皟鐾痢眴?wèn)題是本線 的兩大難題，其特殊性和復(fù)雜性在世界上獨(dú)一無(wú)二?！?】 凍土，是指溫度在0℃以下，并含有冰的各種巖土和土壤。凍土在凍結(jié)的狀 態(tài)下體積膨脹，到了夏季，凍土融化體積縮小。凍土的凍結(jié)和融化交替出現(xiàn)，就 會(huì)造成路基不穩(wěn)定，影響正常通車。凍土是一種對(duì)溫度極為敏感的土體介質(zhì)，含 有豐富的地下冰，水分產(chǎn)生遷移并具有相變變化特征，因

通過(guò)對(duì)青藏鐵路多年凍土區(qū)路基施工特點(diǎn)的分析,提出對(duì)青藏鐵路多年凍土區(qū)路基施工的認(rèn)識(shí)。指出解決多年凍土,是青藏鐵路施工成敗的根本

多年凍土是青藏鐵路建設(shè)面臨的主要難題之一。在多年凍土地區(qū)的斜坡地帶往往發(fā)育有濕地等不良地質(zhì)現(xiàn)象,對(duì)于路基修建的安全造成嚴(yán)重影響。描述了青藏鐵路多年凍土區(qū)dk1487+717～dk1487+880段的路基設(shè)計(jì)情況,總結(jié)了關(guān)于多年凍土斜坡濕地地段的路基設(shè)計(jì)體會(huì)。

本文主要利用青藏鐵路北麓河厚層地下冰試驗(yàn)段中普通路基下部?jī)鐾翜囟鹊谋O(jiān)測(cè)資料,對(duì)路基下部?jī)鐾翜囟茸兓蜔崾罩卣鬟M(jìn)行了分析,并對(duì)修筑普通路基后多年凍土熱融蝕敏感性和熱穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明,修筑普通鐵路路基后,雖然多年凍土人為上限有較大幅度抬升,但原天然上限以下多年凍土溫度卻逐年升高,表現(xiàn)為顯著的吸熱狀態(tài)。同時(shí)凍土熱融蝕敏感性增強(qiáng),凍土熱穩(wěn)定性下降,對(duì)路基熱穩(wěn)定性將產(chǎn)生較大的影響。

青藏鐵路試驗(yàn)工程北麓河試驗(yàn)段凍土路基沉降變形現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究表明:即使路基下凍土人為上限有所上升,凍土路基仍會(huì)產(chǎn)生較大的沉降變形。這種變形主要來(lái)自原天然上限以下高溫—高含冰量?jī)鐾辽郎匾鸬膲嚎s變形。路基下多年凍土的升溫幅度、高含冰量?jī)鐾翆雍穸群吐返谈叨仍酱?路基的沉降變形量就越大。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明:在路堤填土滿足臨界高度,且考慮青藏高原年平均氣溫逐年上升的條件下,青藏鐵路北麓河試驗(yàn)段凍土路基在未來(lái)50年內(nèi)的總沉降量可能達(dá)到30cm。因此,要控制凍土路基的沉降變形,必須采取主動(dòng)降低多年凍土溫度的工程措施,單純靠增加路堤高度的傳統(tǒng)方法不能解決問(wèn)題,甚至適得其反。

高溫高含冰量?jī)鐾恋貐^(qū),青藏鐵路采取了冷卻路基、降低多年凍土溫度的工程措施.然而青藏鐵路仍有大量路段未采用任何工程措施,因此修筑普通路基后凍土變化也是普遍關(guān)心的問(wèn)題.根據(jù)青藏鐵路普通路基下部土體溫度監(jiān)測(cè)的近期結(jié)果,分析了季節(jié)凍土區(qū)、已退化多年凍土區(qū)和多年凍土區(qū)路基下部?jī)鐾磷兓卣?結(jié)果表明,不同區(qū)域修筑普通路基,其下部土體溫度、最大季節(jié)凍結(jié)深度、多年凍土上限等存在較大的差異.在季節(jié)凍土和已退化多年凍土區(qū),右路肩下部(陰坡)已形成凍土隔年層;在多年凍土強(qiáng)烈退化區(qū),其路基下部形成融化夾層;在高溫多年凍土區(qū),其路基下部上限存在抬升和下降,上限附近土體溫度有升高的趨勢(shì).在低溫多年凍土區(qū),其路基下部上限全部抬升,上限附近土體存在"冷量"積累,有利于路基下部多年凍土熱穩(wěn)定性.因此,低溫多年凍土區(qū)修筑普通路基后,凍土變化基本是向著有利于路基穩(wěn)定性的方向發(fā)展,在其它地段修筑普通路基,凍土變化是向著不利于路基穩(wěn)定性的方向發(fā)展的.特別是陰陽(yáng)坡太陽(yáng)輻射差異,導(dǎo)致了土體熱狀態(tài)和多年凍土上限形態(tài)產(chǎn)生較大的差異,這種差異將會(huì)對(duì)路基穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響.

簡(jiǎn)要介紹了青藏鐵路試驗(yàn)段路基的施工過(guò)程,及一個(gè)凍融周期后路基所出現(xiàn)的病害,對(duì)所存在的問(wèn)題進(jìn)行了初步分析,并提出了高原凍土地區(qū)路基施工的一些方法。

基于埋設(shè)在青藏鐵路清水河地區(qū)路基中兩個(gè)斷面內(nèi)的共8個(gè)地溫測(cè)試孔3年來(lái)的地溫觀測(cè)資料,研究了該地區(qū)鐵路路基下伏高原多年凍土融化特征,分析了多年凍土上限的變化規(guī)律以及填筑鐵路路基施工對(duì)下伏多年凍土賦存條件的影響。研究表明,由于受到填筑路基時(shí)賦存在路基填料內(nèi)的熱量的影響,鐵路路基下伏多年凍土近地表的地溫變化特征與天然地面下的多年凍土的地溫變化特征有明顯的不同,且向陽(yáng)面與被陰面差別較大。多年凍土的上限在施工初期會(huì)有一個(gè)明顯的下移沉降,隨著時(shí)間的推移,雖然殘存在路基中的熱量逐漸消散,多年凍土上限下降會(huì)逐漸穩(wěn)定。由于受到太陽(yáng)輻射和路基邊坡形狀及融化夾層的影響,多年凍土上限會(huì)逐漸穩(wěn)定,但不會(huì)在短時(shí)期內(nèi)上升到天然地面下多年凍土的上限水平。

研究目的:分析青藏鐵路施工區(qū)多年凍土上限的變化規(guī)律以及填筑鐵路路基施工對(duì)下伏多年凍土賦存條件的影響。研究方法:系統(tǒng)分析埋設(shè)在青藏鐵路清水河地區(qū)路基中2個(gè)斷面內(nèi)的共8個(gè)地溫測(cè)試孔3年來(lái)采集的地溫觀測(cè)資料,研究該地區(qū)鐵路路基下伏高原多年凍土融化特征。研究結(jié)論:由于受到填筑路基時(shí)賦存在路基填料內(nèi)的熱量的影響,鐵路路基下伏多年凍土近地表的地溫變化特征與天然地面下的多年凍土的地溫變化特征有明顯的不同,且向陽(yáng)面與被陰面差別較大。多年凍士的上限在施工初期會(huì)有一個(gè)明顯的下移沉降,隨著時(shí)間的推移,雖然殘存在路基中的熱量逐漸消散,多年凍土上限下降會(huì)逐漸穩(wěn)定,但由于受到太陽(yáng)輻射和路基邊坡形狀及融化夾層的影響,多年凍土上限會(huì)逐漸穩(wěn)定,但不會(huì)在短時(shí)期內(nèi)上升到天然地面下多年凍土的上限水平。

以青藏鐵路西格段季節(jié)性凍土區(qū)路基凍害為背景,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集典型分布的粉質(zhì)黏土,考慮溫度、水分、鹽分、壓實(shí)度4個(gè)因素,進(jìn)行室內(nèi)凍脹試驗(yàn),測(cè)試不同溫度下路基土體的凍脹率,分析不同含鹽量、含水率、壓實(shí)度和溫度下的凍脹試驗(yàn)數(shù)據(jù).結(jié)果表明:對(duì)于不同壓實(shí)度和含鹽量的試樣,凍脹率隨含水率增加逐漸增大;隨著含鹽量的增加,土體的起脹溫度逐漸降低,土體的冰點(diǎn)也隨之降低;含鹽量低于1.0％時(shí),隨著壓實(shí)度的增加土體凍脹率呈增大趨勢(shì),含鹽量為2.0％時(shí),土體凍脹率不隨壓實(shí)度的變化而變化,進(jìn)一步增大含鹽量時(shí),土體的凍脹率隨壓實(shí)度的增加反而降低,說(shuō)明通過(guò)增加土體鹽分的方法整治路基凍害是可行的,但要注意用鹽量.

以青藏鐵路西格段季節(jié)性凍土區(qū)路基凍害為背景,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集典型分布的粉質(zhì)黏土,考慮溫度、水分、鹽分、壓實(shí)度4個(gè)因素,進(jìn)行室內(nèi)凍脹試驗(yàn),測(cè)試不同溫度下路基土體的凍脹率,分析不同含鹽量、含水率、壓實(shí)度和溫度下的凍脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明:對(duì)于不同壓實(shí)度和含鹽量的試樣,凍脹率隨含水率增加逐漸增大；隨著含鹽量的增加,土體的起脹溫度逐漸降低,土體的冰點(diǎn)也隨之降低；含鹽量低于1.0%時(shí),隨著壓實(shí)度的增加土體凍脹率呈增大趨勢(shì),含鹽量為2.0%時(shí),土體凍脹率不隨壓實(shí)度的變化而變化,進(jìn)一步增大含鹽量時(shí),土體的凍脹率隨壓實(shí)度的增加反而降低,說(shuō)明通過(guò)增加土體鹽分的方法整治路基凍害是可行的,但要注意用鹽量。

經(jīng)過(guò)一個(gè)凍融循環(huán),青藏鐵路清水河試驗(yàn)段出現(xiàn)了較多裂縫.不同工程措施的路基產(chǎn)生不同數(shù)量的裂縫.本文通過(guò)清水河試驗(yàn)段路基裂縫的詳細(xì)調(diào)查資料,分析了裂縫產(chǎn)生的原因,并對(duì)裂縫進(jìn)行了分類.同時(shí)分析了不同工程措施的路基裂縫產(chǎn)生情況.