高温冻土区填土路基的地基融化固结变形分析

针对青藏铁路高温冻土区普通填土路基的融沉变形,基于拉格朗日法描述的大变形固结理论及考虑相变作用的路基传热理论,对高温冻土区不同高度填土路基的温度场和地基融化固结变形进行计算分析,并与现场监测结果进行对比。温度场分析结果表明,高温冻土区4和6m高填土路基在短期内可使冻土上限略微抬升,但下伏多年冻土存在缓慢升温过程,其升温幅度每年约为0.02℃左右;随着气候逐渐变暖,填土路基下冻土上限在后期会逐渐下降,且填土路基高度越小则上限下降量越大,最终在路基下部形成融化盘。融化固结变形分析结果表明,填土路基沉降变形表现出季节性,即暖季沉降变形发展迅速,冷季发展缓慢,发展趋势与现场监测结果吻合良好;在给定的地质条件下,2,4和6m高填土路基在竣工50年后其沉降变形量分别为255.2,470.4和689.7mm,即沉降变形量与其高度呈正比,且高填土路基沉降变形的季节性更显著;填土路基高度和多年冻土的含冰量是影响填土路基沉降变形的主要因素。     

青藏铁路冻土路基路堤、路堑过渡带试验研究

根据青藏铁路北麓河试验段路堤、路堑过渡带近5年来的地温和变形监测资料,分析挖方段、零填段及填方段的冻土上限变化和路基变形特性。研究结果表明:挖方段,2002和2004年的多年冻土人为上限均为1.6 m,相对原天然上限下降量为0.5 m,但在2005年冻土上限有所回升,其变形主要表现为路基换填土层的固结变形;零填段,冻土上限上升量较大,2005年上升量达2.5 m,其变形主要来自活动层的压密变形;填方段,冻土上限有所上升,2005年上升量为0.7 m,其变形主要为天然上限以下冻土层的压缩及蠕变变形;到2005年12月,此过渡带路基均没有发生融沉变形,路基热稳定性好;从总沉降变形量来看,路堤断面变形量最大,零填断面变形量次之,路堑断面变形量最小,2004年11月后,总变形已基本趋于稳定。路基纵向变形比率最大为1.3∶1 000,小于线路设计坡度的3∶1 000,路基纵向沉降变形比较均匀,路面平顺性较好,能满足列车安全行驶的要求。     

青藏铁路高含冰量冻土地段路基设计

针对青藏铁路多年冻土分布特征及路基工程的特殊性问题,详细论述了高含冰量冻土地段路基设计原则,各种不同综合地质条件下采取的工程结构、处理措施。实践证明,青藏铁路多年冻土地区路基工程沉降变形稳定可控,多年冻土路基片石气冷、碎石护坡、热管、排水、以桥代路等多年冻土路基工程成套工程技术措施安全可靠。     

青藏铁路冻土路基合理路堤高度研究

从反映冻土路基热稳定性的路堤临界高度出发,结合青藏铁路冻土路基试验工程,对青藏高原冻土路基的合理路堤高度进行现场试验研究及数值模拟研究。现场试验结果表明:路基下冻土人为上限的变化与路堤高度呈非线性关系,路堤高度太小或太大都会造成路基下多年冻土上限的下降。数值计算结果表明:在相同年平均地温条件下,路基下冻土的人为上限随路堤高度的增大而上升,随路基运行时间的增长而下降;当路堤高度大于一定数值时,在路堤建成的第1个寒季过后,路堤内会残留融化夹层,并且融化夹层的厚度随路堤高度的增加而增大;年平均地温分别为-0.3,-0.5,-1.0,-1.5,-2.0℃条件下,路堤的下临界高度分别为6.8,4.2,1.1,0.6,0.5 m;上临界高度分别为3.4,3.4,3.9,4.1,4.4 m。路堤临界高度存在的年平均地温临界值约为-0.6℃。     

多年冻土路基施工技术

青藏铁路第七标段多年冻土路基按保护冻土原则进行设计,高含冰量冻土地段采用片石通风路堤、通风管路堤、保温护道等措施减少冻土扰动,缩小冻土融化沉降范围;采用换填保温层、设置挡水埝、U型水沟等防排水保温措施,使冻土路基重建热量平衡系统,满足了多年冻土路基质量要求。     

青藏高原高温冻土旁压蠕变试验研究

为研究高温多年冻土的蠕变特性,在青藏铁路北麓河试验段开展不同温度、不同含水量的多年冻土旁压蠕变试验。试验结果表明:在冻土的短时旁压蠕变试验(尤其是高温—低含冰量冻土的旁压蠕变试验)中,瞬时变形在总变形中占有较大比例;在温度相同时,该比例随含水量的增大而减小;在含水量相同时,该比例随温度的升高而增大。因此,在高温—低含冰量冻土蠕变试验数据处理过程中,必须首先提取瞬时变形,才能够分离出蠕变变形。对于高温—低含冰量冻结黏土,随含水量的增加或温度升高,冻土流变性增强。     

用冷却路基的方法修建青藏铁路

青藏铁路将要穿越的多年冻土大多属高温冻土,其中近一半为高含冰量冻土。在全球转暖的情况下,青藏铁路的修建必须考虑50年～100年的气候变化。最近的预测认为,至2050年青藏高原将升温2 2℃～2 6℃。因而对该铁路修建成败的关键在于能否保护多年冻土,使其不融化。分析了世界上在冻土区筑路百年以上的历史,根据国内外在多年冻土区筑路的经验和教训,提出在青藏铁路的设计中应该改变单纯依靠增加热阻(增加路堤高度,使用保温材料)的消极的保护冻土的思路,全面采用"冷却路基"的积极的"降低地温"原则,特别在高温、高含冰量地段必须如此。并进一步提出了通过改变路堤的结构和材料来调控辐射,调控对流和调控传导,以达到"冷却路基"目的的具体措施。     

青藏铁路多年冻土区碎石护坡路基长期稳定性研究

通过对青藏铁路楚玛尔河地区碎石护坡路基长期监测数据的分析,对碎石护坡路基的地温、沉降进行了研究,评价了其工程长期稳定性,研究结论为:碎石护坡下冻土得到有效保护,地温场总体呈现降低趋势,竣工2年内冻土上限明显抬升;碎石护坡路基沉降变形表现为前期大,后期逐渐减小,截止到2007年的路基总沉降为43～70 mm,2007年沉降量为7 mm。对多年冻土运营铁路的维修养护提供了参考数据。     

青藏铁路路基下多年冻土演化特征及规律研究

通过对青藏铁路多年冻土区长期监测系统多年来的大量实测数据进行分析,研究了青藏铁路路基下多年冻土演化特征及规律。研究结果表明:青藏铁路沿线气温逐年升高,降水量、冻结指数和融化指数逐年增大,暖冬现象明显,地表温度年升高率达到0.06℃/年;沿线多年冻土区2007—2013年间冻土天然上限下移的达91%,不同深度处的地温整体处于升温状态;青藏铁路路基下多年冻土也发生了升温退化,在2007年冻土人工上限相对原天然上限均抬升的占81%,路基下多年冻土退化明显滞后于天然场地;片石路基、热棒路基等主动降温措施效果明显,保证了青藏铁路多年冻土路基工程的稳定。     

青藏铁路高原冻土区路基施工技术

青藏铁路多年冻土区路基工程的稳定性,主要取决于下伏多年冻土的含冰量特征.冻土作为铁路建筑物地基材料,如何制定科学合理的施工组织设计,采取有针对性的施工工艺,解决热侵蚀导致冻土地基变形,是施工的关键所在.本文通过青藏铁路高原冻土区路基工程施工实践,对高原冻土区路基施工技术进行了总结.     

青藏铁路高填方路基对下伏多年冻土热状况的影响

基于青藏铁路北麓河试验段两个监测断面的地温监测资料 ,分析了修筑高路基后下伏土层的热状况变化特征。结果表明 ,修筑高路基后 ,多年冻土上限有所抬升 ,而下伏土层地温明显升高。多年冻土上限的抬升主要是由于高路基的热阻效应导致上限附近土层温度变幅急剧减小而形成的。高路基的修筑会引起路基阴阳面热交换状态的明显差异 ,路基阳面边坡是最强烈的吸热面 ,而路基阴面边坡表现为放热效应 ,由此会形成下伏多年冻土融化状态的不同     

青藏铁路多年冻土区热棒路基温度场三维非线性分析

高温高含冰量的多年冻土地段,极易受外部条件的扰动而发生变化。针对此类冻土的特征,提出了热棒路基。根据带相变热传导有限元方法,对普通路基、热棒路基在未来50年青藏铁路沿线气温上升1.0℃情况下的温度场进行了预报分析和比较。计算结果表明,在年平均气温为-3.5℃或年平均地温为-1℃的地区,在青藏铁路50年的使用期内,普通路基在气温升高条件下路基下伏冻土都将发生融化,路基将会产生较大融沉变形,不能保证青藏铁路路基的稳定性。热棒路基具有主动冷却的作用,可以更好的保护冻土。路基计算结构表明,在未来50年气温上升1.0℃的条件下,在年平均气温为-3.5℃或地表温度为-1.0℃的青藏铁路沿线多年冻土地区,热棒路基可以抵消气候变暖的影响,可以保证路基下伏冻土不发生融化,从而可以保证路基的稳定性。     

青藏铁路管道通风路堤下土体的温度变化分析

本文针对青藏铁路管道通风路堤对于保护多年冻土的工程效果 ,基于试验段在近 2个冻融循环周期内的温度监测资料 ,初步分析了路堤填土下土体温度的发展特征 ,并对通风管铺设高度的影响进行了讨论。结果表明 ,通风管路堤具有保护多年冻土的作用 ,而且通风管埋设位置低的路堤工程效果要优于通风管埋设位置高的路堤     

青藏铁路自动温控通风试验路基观测结果分析

自动温控通风路基(自控路基)是基于通风路基的一种新型工程措施,自控系统通过充分利用冷能,可在很大程度上提升通风路基的降温效能.青藏铁路北麓河试验段自控路基的现场观测资料表明,自控系统实施后,通过暖季对通风管内对流换热作用的限制,路基的传热方式以热传导为主,由此使得通风管内整体升温幅度均小于通风路基,自控路基通风管内温度较通风路基约低1.0℃,且中心温度最低;在自控路基中,路基下3.5 m深度原多年冻土上限附近的地温降温幅度更为显著,在自控措施实施后两年的时间里,通过与通风路基对比发现,两者最高温度在降温过程基本一致的情况下,最低温度差值呈现不断扩大的趋势,观测期内最大差值为0.45℃;路基下3.0～3.5 m位置的热流计算表明,自控路基对应的年均放热热流量约为通风路基的2倍,即从传热角度说明,通过自控系统的实施可以提高通风路基的降温效能1倍左右;同时,自控措施将通风路基有效放热时间增加约40 d,这也是自控路基降温效能表现突出的原因之一.     

EPS保温板在青藏铁路中应用的适用性评价数值模拟

保护冻土原则是多年冻土区路基设计的首要要求。本文运用带相变瞬态温度场有限元数值解法,模拟分析铺设聚苯乙烯(EPS)板后铁路路基下多年冻土最大融化深度在随后50a内随时间的变化,提出保温板铺设的适宜位置;总结分析保温板厚度和路基填土高度的关系;基于年平均气温给出多年冻土区铁路路基工程中保温材料的适用范围,并对多年冻土年平均地温对保温处理措施适用范围的影响进行了分析。     

青藏铁路清水河地区路基下伏多年冻土地温变化特征研究

研究目的:分析青藏铁路施工区多年冻土上限的变化规律以及填筑铁路路基施工对下伏多年冻土赋存条 件的影响。 研究方法:系统分析埋设在青藏铁路清水河地区路基中2个断面内的共8个地温测试孔3年来采集的地温 观测资料,研究该地区铁路路基下伏高原多年冻土融化特征。 研究结论:由于受到填筑路基时赋存在路基填料内的热量的影响,铁路路基下伏多年冻土近地表的地温变 化特征与天然地面下的多年冻土的地温变化特征有明显的不同,且向阳面与被阴面差别较大。多年冻士的上限 在施工初期会有一个明显的下移沉降,随着时间的推移,虽然残存在路基中的热量逐渐消散,多年冻土上限下 降会逐渐稳定,但由于受到太阳辐射和路基边坡形状及融化夹层的影响,多年冻土上限会逐渐稳定,但不会在 短时期内上升到天然地面下多年冻土的上限水平。     

青藏铁路冻土路基热棒应用效果试验研究

通过青藏铁路沿线典型冻土路段热棒试验路基和对比路基的地温及变形现场监测,研究热棒对多年冻土路基的保护效果。通过对埋置在正线试验路基左侧不同规格热棒周围地温的监测,研究热棒构造对路基降温效果的影响。试验结果表明,热棒显著抬升路基下部多年冻土的天然上限,其最大平均抬升值达1.66 m;斜插方式埋置热棒能使最大融化深度曲线更快地趋于平缓,达到对路基下部多年冻土的整体保护;热棒路基的累计变形远小于未设置热棒的对比路基;热棒的产冷功率越大,其降温效果越好,降温范围也越大。     

高速铁路地基土压缩模量确定方法比较研究

为掌握高速铁路复合地基中天然土层压缩模量准确简便的确定方法,以武广客运专线12个试验断面和京沪高速铁路4个试验断面路堤设计参数和地基处理情况为依据,分别采用E1-2法和e-p曲线法确定各天然土层压缩模量,计算地基沉降值并将其与实测沉降值进行比较。结果表明:对于浅薄地层地基而言,路堤高度略大于5 m(不超过7.5 m)时,E1-2法的计算沉降值与e-p曲线法相比误差小于10%,路堤高度小于5 m时,两者误差随路堤高度减小而增大,但是控制在30%以内;为简化运算,可以采用E1-2法代替e-p曲线法计算浅薄地层地基沉降;对于深厚地层而言,E1-2法计算沉降值明显大于e-p曲线法,其误差随压缩层厚度增大而增大,故不宜采用E1-2法计算深厚地层地基沉降。     

青藏高原多年冻土区通风管路基传热规律研究

研究目的：通风管路基作为一种新型的路基结构，具有降低多年冻土地温抬升路基人为上限的性能，对多年冻土区铁路的建设及运营提供安全保证。本文结合青藏高原多年冻土区特殊的气候条件及空气流通特征，对通风管内空气对流形式进行分析，并通过传热学基本理论对多年冻土区通风管路基体的传热规律进行研究。研究结果：文章经过系统分析和研究，提出了青藏高原多年冻土区通风管路基的传热理论。认为青藏高原多年冻土区通风管路基的传热方式主要为空气的强迫对流、自然对流及热传导3种，并通过理论计算及试验得出使通风管路基达到最大功效的合理的长径比。