中國青藏鐵路北麓河路基凍土動應(yīng)變速率試驗研究

闡述了青藏鐵路北麓河試驗段路基保溫材料試驗段路基結(jié)構(gòu)、試驗監(jiān)測方案。通過試驗路基建成一年以來的觀測數(shù)據(jù)對路基下伏多年凍土的變化動態(tài)、通過保溫板的熱收支、保溫板上下面的積溫等進行了初步分析。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多年凍土的作用,對于高路基原天然地表下活動層內(nèi)會形成持久的零溫帶;進入保溫板的熱量在路基陰陽面呈現(xiàn)不對稱,陽面吸熱明顯大于陰面。

利用五道梁氣象觀測站1973—2015年43a的實測數(shù)據(jù)(風(fēng)速、風(fēng)向、能見度、相對濕度),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)向為w、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)向為w和wnw,故北麓河南北兩岸所受沙害程度差異不大,建議適當增加北岸沙障數(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,對青藏鐵路目前惟一的l型支擋結(jié)構(gòu)的溫度場進行了數(shù)值模擬。通過建立路基溫度場有限元模型,選取適當?shù)倪吔鐥l件、初始條件及熱學(xué)計算參數(shù),計算北麓河試驗路基斷面10a內(nèi)的地溫變化情況,并與2a的地溫實際測試資料進行對比分析。凍土融化深度數(shù)值計算和實測數(shù)據(jù)吻合較好,反映地溫對氣溫變化的滯后響應(yīng)特性,表明計算模型是可信的,計算結(jié)果可供參考。未來10a的數(shù)值計算結(jié)果表明:最大融深(或凍土上限)沒有下降,表明凍土已經(jīng)形成新的平衡,凍土上限穩(wěn)定。可以預(yù)見該土工結(jié)構(gòu)最終會達到一個穩(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。

通過對青藏鐵路清水河段站場路基的初步試驗,獲取了地溫變形數(shù)據(jù),探討站場路基的凍結(jié)和融化過程的規(guī)律.實驗表明:站場路基下凍土人為上限發(fā)生了上移,多年凍土得到了保護,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段塊石路基與普通路基3個完整凍融循環(huán)周期內(nèi)的地溫數(shù)據(jù),對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程以及路基不同部位下部土體的地溫年際間變化過程。試驗結(jié)果表明:塊石路基下降溫趨勢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塊石層與外界氣體發(fā)生熱交換強度不一致,右路肩下部最強,路基中心下部次之,左路肩下部最弱。

在環(huán)境溫度季節(jié)性變化的條件下進行室內(nèi)模擬試驗,探索了模擬凍土路基活動層形成的試驗方法,研究了青藏高原多年凍土區(qū)路基活動層的形成活動規(guī)律。試驗表明:活動層從初始形成到基本穩(wěn)定過程中,近地表土層對外界溫度場的變化響應(yīng)靈敏,隨外界溫度的改變出現(xiàn)規(guī)律的波動;深層土層對外界溫度的變化表現(xiàn)出滯后性,溫度曲線波動幅度較小;活動層在趨于穩(wěn)定的過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)土層溫度場變化規(guī)律接近;在環(huán)境負溫的初期表層土層迅速降溫,活動層厚度開始逐漸減小。受外界氣溫及深層凍土冷源作用的共同影響,活動層凍結(jié)過程中會出現(xiàn)從上下邊界同時凍結(jié)的現(xiàn)象,加快了活動層的凍結(jié)速度。

通過青藏鐵路沿線典型凍土路段熱棒試驗路基和對比路基的地溫及變形現(xiàn)場監(jiān)測,研究熱棒對多年凍土路基的保護效果。通過對埋置在正線試驗路基左側(cè)不同規(guī)格熱棒周圍地溫的監(jiān)測,研究熱棒構(gòu)造對路基降溫效果的影響。試驗結(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,達到對路基下部多年凍土的整體保護;熱棒路基的累計變形遠小于未設(shè)置熱棒的對比路基;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)定性的兩大問題.對于多年凍土到融區(qū)過渡段路基,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題.根據(jù)青藏鐵路沱沱河試驗段路基在竣工后3a內(nèi)的現(xiàn)場試驗數(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試驗段的凍脹、沉降變形差問題,計算出了多年凍土與融區(qū)過渡段路基的合理長度.結(jié)果表明:多年凍土與融區(qū)過渡地帶沉降總變形量相差較大,但從年沉降速率來看,路基不會產(chǎn)生突降,且隨著沉降速率逐漸減小,路基趨于穩(wěn)定;試驗段內(nèi)凍脹量差異不大,不會影響線路平順度.對于本試驗段此類工程地質(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)性變化的條件下進行室內(nèi)模擬試驗,探索了模擬凍土路基活動層形成的試驗方法,研究了青藏高原多年凍土區(qū)路基活動層的形成活動規(guī)律。試驗表明：活動層從初始形成到基本穩(wěn)定過程中,近地表土層對外界溫度場的變化響應(yīng)靈敏,隨外界溫度的改變出現(xiàn)規(guī)律的波動;深層土層對外界溫度的變化表現(xiàn)出滯后性,溫度曲線波動幅度較小;活動層在趨于穩(wěn)定的過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)土層溫度場變化規(guī)律接近;在環(huán)境負溫的初期表層土層迅速降溫,活動層厚度開始逐漸減小。受外界氣溫及深層凍土冷源作用的共同影響,活動層凍結(jié)過程中會出現(xiàn)從上下邊界同時凍結(jié)的現(xiàn)象,加快了活動層的凍結(jié)速度。

針對青藏鐵路北麓河試驗段通風(fēng)管路基結(jié)構(gòu)的工程效果,基于試驗路基在第一個凍融循環(huán)周期內(nèi)的溫度監(jiān)測資料,初步分析了路基溫度的發(fā)展與溫度場分布特征,并對通風(fēng)管鋪設(shè)位置、高度等的影響進行了初步分析。結(jié)果表明,通風(fēng)管在路基具有保護多年凍土的作用,同時,管徑較大的通風(fēng)管工程效果相對較好,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。“高原”和“凍土”問題是本線 的兩大難題，其特殊性和復(fù)雜性在世界上獨一無二?！?】 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 會造成路基不穩(wěn)定，影響正常通車。凍土是一種對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

通過對青藏鐵路多年凍土區(qū)路基施工特點的分析,提出對青藏鐵路多年凍土區(qū)路基施工的認識。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,對于路基修建的安全造成嚴重影響。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)計體會。

本文主要利用青藏鐵路北麓河厚層地下冰試驗段中普通路基下部凍土溫度的監(jiān)測資料,對路基下部凍土溫度變化和熱收支特征進行了分析,并對修筑普通路基后多年凍土熱融蝕敏感性和熱穩(wěn)定性進行了計算。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)。同時凍土熱融蝕敏感性增強,凍土熱穩(wěn)定性下降,對路基熱穩(wěn)定性將產(chǎn)生較大的影響。

青藏鐵路試驗工程北麓河試驗段凍土路基沉降變形現(xiàn)場試驗研究表明:即使路基下凍土人為上限有所上升,凍土路基仍會產(chǎn)生較大的沉降變形。這種變形主要來自原天然上限以下高溫—高含冰量凍土升溫引起的壓縮變形。路基下多年凍土的升溫幅度、高含冰量凍土層厚度和路堤高度越大,路基的沉降變形量就越大。數(shù)值計算結(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段凍土路基在未來50年內(nèi)的總沉降量可能達到30cm。因此,要控制凍土路基的沉降變形,必須采取主動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)方法不能解決問題,甚至適得其反。

高溫高含冰量凍土地區(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)心的問題.根據(jù)青藏鐵路普通路基下部土體溫度監(jiān)測的近期結(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)路基下部凍土變化特征.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.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.特別是陰陽坡太陽輻射差異,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,這種差異將會對路基穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響.

簡要介紹了青藏鐵路試驗段路基的施工過程,及一個凍融周期后路基所出現(xiàn)的病害,對所存在的問題進行了初步分析,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)路基中兩個斷面內(nèi)的共8個地溫測試孔3年來的地溫觀測資料,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,且向陽面與被陰面差別較大。多年凍土的上限在施工初期會有一個明顯的下移沉降,隨著時間的推移,雖然殘存在路基中的熱量逐漸消散,多年凍土上限下降會逐漸穩(wěn)定。由于受到太陽輻射和路基邊坡形狀及融化夾層的影響,多年凍土上限會逐漸穩(wěn)定,但不會在短時期內(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個斷面內(nèi)的共8個地溫測試孔3年來采集的地溫觀測資料,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,且向陽面與被陰面差別較大。多年凍士的上限在施工初期會有一個明顯的下移沉降,隨著時間的推移,雖然殘存在路基中的熱量逐漸消散,多年凍土上限下降會逐漸穩(wěn)定,但由于受到太陽輻射和路基邊坡形狀及融化夾層的影響,多年凍土上限會逐漸穩(wěn)定,但不會在短時期內(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,通過現(xiàn)場采集典型分布的粉質(zhì)黏土,考慮溫度、水分、鹽分、壓實度4個因素,進行室內(nèi)凍脹試驗,測試不同溫度下路基土體的凍脹率,分析不同含鹽量、含水率、壓實度和溫度下的凍脹試驗數(shù)據(jù).結(jié)果表明:對于不同壓實度和含鹽量的試樣,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,土體的冰點也隨之降低;含鹽量低于1.0％時,隨著壓實度的增加土體凍脹率呈增大趨勢,含鹽量為2.0％時,土體凍脹率不隨壓實度的變化而變化,進一步增大含鹽量時,土體的凍脹率隨壓實度的增加反而降低,說明通過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)過一個凍融循環(huán),青藏鐵路清水河試驗段出現(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.本文通過清水河試驗段路基裂縫的詳細調(diào)查資料,分析了裂縫產(chǎn)生的原因,并對裂縫進行了分類.同時分析了不同工程措施的路基裂縫產(chǎn)生情況.

選取青藏鐵路多年凍土南界典型斷面,分析路基地溫在運營階段的變化特征,并對溫度場可能的變化趨勢進行推測:認為凍土區(qū)南界填筑路基影響了凍土天然地溫場,使人為上限降低,并造成陰陽坡的溫度場不均。因此,需要采用一定的補強措施來保障鐵路的安全運營。