青藏铁路冻土路基沉降变形预测

青藏铁路试验工程北麓河试验段冻土路基沉降变形现场试验研究表明:即使路基下冻土人为上限有所上升,冻土路基仍会产生较大的沉降变形。这种变形主要来自原天然上限以下高温—高含冰量冻土升温引起的压缩变形。路基下多年冻土的升温幅度、高含冰量冻土层厚度和路堤高度越大,路基的沉降变形量就越大。数值计算结果表明:在路堤填土满足临界高度,且考虑青藏高原年平均气温逐年上升的条件下,青藏铁路北麓河试验段冻土路基在未来50年内的总沉降量可能达到30 cm。因此,要控制冻土路基的沉降变形,必须采取主动降低多年冻土温度的工程措施,单纯靠增加路堤高度的传统方法不能解决问题,甚至适得其反。     

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℃。     

青藏铁路多年冻土区普通路基地温监测及其预测分析

青藏铁路多年冻土区局部地段以普通路基形式通过,其稳定性与铁路的正常运营密切相关。2002～2003年在北麓河布置了普通路基试验段,用于监测路基的温度状态。基于监测资料,分析路基边坡温度变化过程、路基及下部土体温度场分布以及进入多年冻土的热流量。结果表明,阳坡面年平均温度比阴坡面高2.9℃,阴坡面温度年较差比阳坡面大2.2℃。受地表温度边界条件控制,路基阳坡下土体融化深度明显大于阴坡,且路基下部土体处于升温状态。路基下部土体不同部位主要表现为吸热强度逐年略有减小的吸热状态。模拟计算50年气温升高1℃条件下路基温度场,结果表明50年后路基冻土上限下降明显,并且冻土温度主要介于0～-0.5℃之间。     

多年冻土区拼装式涵洞地基回冻与变形试验研究

通过对青藏铁路清水河地区拼装式涵洞地基温度和沉降的观测，研究多年冻土区拼装式涵洞现浇混凝土基础对冻土的热扰动影响、地基的回冻规律和冻土人为上限的变化特征，分析涵洞结构随地基冻胀、融沉产生的变形。经过2个冻融周期的现场测试和研究表明：青藏高原清水河细颗粒高温多年冻土区涵洞基础施工的时间若选在10月下旬，明挖基坑及现浇基础混凝土对基底以下多年冻土的影响深度为1．1～1．3m，施工扰动、融化后的冻土地基回冻时间为45～50d，涵洞基础施工2年后多年冻土地基人为上限上升了1．0m左右，冻土上限沿涵洞中轴线在其中部上升大，两端上升较小，这说明涵洞路基和涵洞具有保温隔热的作用；涵洞建成1年后地基沉降大部分已发生，且2年中涵洞地基的不均匀沉降基本稳定。     

青藏铁路多年冻土区长期监测系统的研究与应用

研究目的:青藏高原多年冻土区现存的地质地貌形态是经过漫长的地质历史时期形成的,部分多年冻土区的年平均气温相对较高,冻土厚度较薄,热稳定性较差,冻土的稳定性直接关系到上部工程结构的稳定性和耐久性。研究和掌握多年冻土环境变化对工程结构稳定性影响的途径和方法,可以了解青藏铁路沿线多年冻土区气候变化情况和气候影响下的冻土发展趋势,为青藏铁路制定工程防治措施提供依据。研究结论:(1)通过对近几年的监测数据分析来看,青藏铁路长期监测系统运行良好,监测数据真实可靠,能够作为青藏铁路冻土区工程稳定性评价的依据;(2)利用长期监测系统对多年冻土路基地段进行了多年连续监测,发现了出现较大沉降变形冻土路基的环境特征以及沉降机理、据此拟定出着眼维持路基状态、改善路基系统水热条件、缓解人为上限下降、减缓路基沉降速率的工程补强措施;(3)通过长期监测系统对桥梁、涵洞断面的监测和分析,认为多年冻土区桥涵基础目前整体上是稳定的。     

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。     

青藏铁路多年冻土区路基人为上限的变化特点及其与稳定性的关系

结合片石气冷加碎石护坡组合路基、片石气冷路基、碎石护坡路基、热棒路基及普通素土路基等结构形式地温和变形的现场监测数据,对青藏铁路多年冻土区路基人为上限的变化规律、形态特点和类型进行分析。结果表明,青藏铁路多年冻土区路基的人为上限形态类型为人为上限升入路基本体的A型和人为上限升入基底土层中的B型,且路基人为上限的变化已基本趋于稳定;随着时间的推移,路基的沉降也逐渐趋稳;路基累计沉降量与路基高度成正比而与人为上限的上升值成反比。     

青藏铁路多年冻土区涵洞病害机理分析

为了防治青藏铁路多年冻土区涵洞病害,通过对4座涵洞的现场变形以及温度场监测,利用现场调查与监测数据分析,查明涵洞病害形成的7种不同原因。结果表明:青藏铁路的施工以及水热侵蚀引起地基多年冻土升温融化下沉以及冻土蠕变下沉是造成青藏铁路多年冻土区涵洞病害的主要原因。可通过减少和杜绝涵洞地基周围的水热侵蚀以及采取埋设热棒等工程措施进而达到防治涵洞病害的目的。     

青藏高原清水河多年冻土区铁路路基沉降变形特征研究

通过埋设在青藏铁路路基中2个断面内的共6条沉降观测管3年来的地基沉降变形资料,研究高原多年冻土区铁路路基的沉降变形特征,分析填筑铁路路基对下伏多年冻土融化变形的影响。研究表明,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上限在施工初期会有一个明显的下移沉降,铁路路基也随只有一个较大幅度的工后下沉变动,随着时间的推移,路基下降速率会逐渐下降,但在短时间内不会停止下来,而且由于太阳辐射和路基边坡形状的影响,路基向阳面与背阴面的变形有较大的差别,且在近南北向展布的路基上表现最为明显。     

卫星遥测高原冻土路基沉降变形研究初探

研究目的:高原冻土的不稳定性使进行冻土区路基变形监测分析极其重要,但受限于高原严酷自然环境条件,当前利用地面现场测量来分析多年冻土路基变形的方法,开展工作极为困难。卫星雷达差分干涉(D-InSAR)技术是近年来出现的无需地面现场测量作业,能够获得大范围地表覆盖区域连续点、线、面沉降信息的一种全新地表变形监测分析方法。针对特殊困难环境下高原多年冻土区路基变形监测与分析问题,讨论利用卫星D-InSAR"空间遥测"多年冻土区路基表面沉降变形的必要性、可行性和应用研究价值及意义。研究结论:在青藏高原这种特殊困难的自然地理条件下,采用卫星D-InSAR进行多年冻土区路基变形分析,对改善劳动条件、提高监测效率、减少费用、最大限度地减少极其困难的地面人工测量工作量,能起到明显的积极作用,对于高原冻土区国家重要基础设施长期监测系统建设有重要工程现实意义;利用D-InSAR获得的独特路基地表变形信息,可实现从大范围连续点、线、面3种角度,分析高原冻土路基变形的时空特征和规律,有望从空间全局的分析角度获得冻土路基变形新发现或新知识,从而为冻土路基稳定性评价提供新的科学依据,也为更深入地研究冻土工程变形开拓新思路。     

青藏铁路安多段抛片石路基温度与变形规律分析

介绍青藏铁路安多段冻土路基稳定性监测工程的监测方案、技术关键,通过对2个冻融周期内冻土融化深度、地温变化规律、冻土多年上限、冻胀板变形的分析,发现多年冻土上限上移,地温波动滞后于气温波动,上限附近地温基本不变且呈负温,有利于多年冻土的保护,说明抛片石路基起到了积极作用,为评价高原、高寒、冻土地区路基稳定性提供可靠依据;对青藏铁路的运营、维护具有重要的现实意义。     

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。     

季节性冻土区高速铁路路基冻深研究

针对季节性冻土区高速铁路路基冻胀的最大变形量应小于5mm的严格要求,开展季节性冻土区高速铁路路基冻深的研究。在综合分析国内外相关冻深求解方法的基础上,提出采用改进的Berggren法计算高速铁路路基设计冻深的公式。该公式考虑了路基的热力特性、气象条件以及地基条件,适用于特性各异的多层土路基。运用现场监测和基于比奥固结理论的有限元仿真分析方法及改进Berggren法,对某典型冻土区段高速铁路的路基冻胀及温度场和位移场进行测量、计算和分析,结果表明:路基冻深的发展历经较浅且小幅波动、向下快速发展且达到最大、逐渐减小和浅层小幅波动等阶段;路基冻胀变形主要发生在冻深的70%范围内;该典型冻土区段最大冻深的有限元仿真计算值为1.98m,改进的Berggren法计算值为1.94m,与实际监测值1.90m的计算误差分别仅为4.2%和2.4%,表明有限元仿真分析方法和改进的Berggren法均为确定路基冻深的有效手段。     

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。     

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。     

气候变暖条件下青藏铁路路桥过渡段长期热稳定性研究

基于过渡段相变的二维传热分析模型,对未来50年青藏铁路路桥过渡段温度场进行分析与预测,并定量研究过渡段高度和冻土类型对路桥过渡段长期热稳定性的影响。计算结果表明:1路桥过渡段下冻土上限由第5年的天然地表以上2.5 m,下降到第50年后的天然地表以下4.3 m,平均融化速率为15.11 cm/年;2过渡段冻土上限与过渡段高度呈非线性关系,随过渡段高度的增加,过渡段冻土上限先减小后增加;3随着冻土地基含冰量的增加,过渡段下融化盘径与最大融化深度逐渐增大,同时相同含冰量冻土地基融化盘径与融化深度的大小均随着距桥台距离的增大呈先增大后减小趋势,且最大融化深度均发生在距台前4 m左右处。     

青藏铁路多年冻土地区热管路基三维数值分析

考虑多年冻土中水的相变,采用有限元进行热管保护多年冻土路基效果的三维数值分析。分析结果表明,热管能大幅度降低路基土体的温度,提升路基冻土上限,增大路基抵抗外界温度变化的能力,保证路基的长期稳定。考虑路基工程所在冻土区段气候和冻土条件,研究热管的有效影响范围,得出结论:热管的有效冷却半径为1 7m左右;在年平均气温为-5 2℃,冻土年平均地温为-1 0℃以上的高温冻土区,热管埋设间距宜取2 8～3 3m,可抬升路基冻土上限0 6～0 8m;在年平均气温为-6 3℃,冻土年平均地温低于-2 0℃的低温冻土区,热管埋设间距可加大到3 3～3 8m,路基冻土上限可抬升0 8～1 2m。     

青藏铁路多年冻土区桥头路基变形原因及对策研究

桥头路基的变形问题是普遍存在的影响冻土区道路工程稳定的技术难题,结合青藏铁路多年冻土区桥头路基的变形问题,采用资料调研、现场调查、理论分析和总结等研究手段,对运营后多年冻土区桥头路基变形的特征及沉降原因进行分析研究,提出了通过改善地基多年冻土环境和优化桥头路基防排水系统等措施对桥头路基病害进行治理的方法。     

青藏铁路碎石护坡路基长期效果分析

采用碎石护坡路基是多年冻土地区主要的工程处理措施。本文依据2003—2011年青藏铁路楚玛尔河地区碎石护坡路基的地温及沉降数据,对其长期效果进行分析。结果表明:采用碎石护坡路基能有效冷却地基和保护多年冻土,路基下地温总体上呈现降低趋势,竣工后2年内冻土人为上限有明显抬升,2005年以后上限基本稳定,冻土路基逐渐呈现出热稳定状态;碎石护坡对于减少路基阴阳坡的地温差异有显著作用;碎石护坡路基填筑完成后,其前期沉降较大,后期逐渐减小,2007年以后每年的沉降量均在10 mm以内,路基呈现出长期稳定状态;碎石护坡施工对铁路运行影响小,故对于冻土铁路可采用碎石护坡措施进行路基补强。