多年冻土区青藏铁路路基的长期热状况

基于青藏铁路楚玛尔河试验段10年(2003~2013)的地温监测资料,对青藏铁路4种典型路基结构的长期热状况进行了对比分析.结果表明,不同路基结构的长期热状况表现出较大的差异.普通路基与块石基底路基地温场存在明显的不对称分布,表明以上两种路基结构不利于路基的长期热稳定.但块石护坡路基与U型块石路基的地温场分布则表现出了较好的对称性.尽管块石护坡路基下浅层冻土地温存在一定的降温过程,但深层多年冻土却呈现出缓慢升温趋势,显示U型块石路基的热稳定性要优于块石护坡路基.被监测的4种路基结构中,U型块石路基在降低多年冻土温度与提高路基地温场对称性方面表现出了最佳的长期效应.基于青藏铁路10年的监测结果,充分肯定了主动冷却路基设计思路在保护冻土路基长期热稳定性方面的有效性,同时采用冷却路基技术的青藏铁路也达到了时速100 km h?1的设计要求.尽管如此,由于坡向效应所导致的路基左右路肩下的热差异存在于所有监测的路基结构中,但不同结构的热差异幅度不同,并将可能导致路基发生潜在的非均匀性沉降变形,因此需要在后续的维护工程中进行调整.     

气候变暖下青藏高原冻土路基地温场演化规律研究

冻土物理力学特性与温度密切相关,气候变暖背景下冻土路基地温场的分布和演化规律不仅会影响到路基的静力稳定性,还会影响到其在地震、车辆等动力荷载作用下的响应特征与稳定性。为此,基于现场实测路基坡面温度,系统开展气候变暖背景下青藏高原典型(东西、南北、45°)走向条件下冻土路基地温场分布及演化规律的模拟研究。结果表明,阴阳坡侧浅层土体冻结指数差异较融化指数差异更为显著,东西走向下阴坡冻结指数约为阳坡的2倍,而融化指数约为阳坡的0.83。阴阳坡侧路基本体及活动层季节冻融过程存在明显不同步,东西走向条件下阴坡冻结期(融化期)可较阳坡侧长(短)约1个月。路基修筑后,阴坡一侧路基下部人为上限均有一定的抬升,而阳坡仅南北走向有抬升。此后,在气候变暖及沥青路面吸热效应下,路基人为上限不断下降,最大速率可达20cm/a,且逐步出现融化夹层,其中阳坡融化夹层厚度普遍大于阴坡,差值最大可达2.5m。路基本体季节冻融过程的不同步、人为上限埋深及冻土地温分布的不对称性应在未来青藏高原冻土路基静力、动力稳定性设计和研究中予以考虑。     

机车动荷载作用下多年冻土区铁路路基动力响应的试验研究

青藏铁路穿越多年冻土区因地温和含冰量的不同而采取了不同的路基结构形式,以减小或避免气温和工程扰动对其下部多年冻土的影响。为了把握多年列车振动荷载作用下多年冻土区不同结构路基的动力响应特征,对青藏铁路北麓河段典型结构路基进行了实时强震动测试,得到了多年冻土区铁路路基的振动加速度衰减规律,对于研究机车动荷载对青藏铁路多年冻土区路基变形的定量影响规律,保障青藏铁路安全运营具有重要的科学意义。     

青藏高原多年冻土地区铁路路基工程动力稳定性分析

科学合理地分析铁路路基块石层在机车荷载作用下的动力传递机理,对于多年冻土区路基工程稳定性预测有着重要的指导意义,同时对于在青藏高原多年冻土地区建设高坝大库等重要水利工程的动力稳定性分析也具有重要的借鉴作用。通过选取青藏铁路北麓河段典型块石路基结构开展机车通过实时强震动测试,获得了机车通过时的实时加速度数据。在现场测试的基础上,基于有限元分析软件, 运用二维非线性动力响应分析方法对多年冻土区块石路基结构在机车荷载作用下动力传递特性、位移响应特性和应力应变特性进行了数值模拟分析,并通过对比分析素土路基的动力响应特征,科学分析青藏铁路路基块石层在机车荷载作用下的动力传递机理。研究结果表明,块石层的铺设可以有效限制机车荷载产生的加速度向路基深处传递,减小机车振动对路基结构的影响,有助于保护冻土路基的稳定性;块石层的铺设可以较好地减小机车荷载作用下路基的沉降变形,在相同机车荷载作用下块石结构路基的最大沉降量仅为0.9 mm,而素土路基的最大沉降量可达1.9 mm;块石层的铺设可以改变机车荷载作用下路基内部的应力应变状态,使得路基内部最大主应力增大,而最大剪应变幅值、范围均减小。     

多年冻土区桥梁桩基础地震响应的模型振动试验研究

以青藏铁路高温不稳定多年冻土区"以桥代路"工程——清水河特大桥的桩基础为研究目标,在负温条件下对该桥梁桩基础结构的缩尺模型进行了地震荷载作用的模型振动试验,研究了地震荷载作用下桩-冻土相互作用,分析了结构的地震响应特征,明确了桩体动荷响应对桩周冻土地温和应变的影响规律,最后对地震荷载作用下高温不稳定多年冻土区桥梁桩基础的稳定性作出了评价.     

青藏高等级公路斜插式热棒路基降温效果数值分析

以青海共和至玉树高等级公路中的实际设计断面为模型,通过数值模拟研究斜插式热棒路基和斜插式热棒-XPS复合路基的降温效果。结果表明,在气候变暖背景下,两种路基在一定时期内可以降低其下部多年冻土温度,提高路基下冻土上限,但随着气温逐渐升高,两种路基反压护道下多年冻土中有融化核出现,并且斜插式热棒路基下多年冻土中及斜插式热棒-XPS复合路基填土中有融化核出现;增加XPS保温板,在一定时期内可以提升斜插式热棒路基的降温能力,使斜插式热棒-XPS复合路基降温效果优于斜插式热棒路基,且前者冻土上限始终高于后者,但对于增强其长期降温的效果并不显著。     

多年冻土区道路工程病害类型及特征研究

多年冻土及多年冻土区恶劣的环境给工程构筑物的建设及维护带来了极大的挑战。以青藏工程走廊内的青藏公路、青藏铁路两大道路工程为研究对象,系统论述了其路基工程、桥梁工程、涵洞工程的主要病害类型及分布特征。现场调查显示,青藏公路80%的路基病害由多年冻土融沉所引起,主要表现为严重的不均匀沉降变形和纵向裂缝,且主要发生在高填方路基上。这两种病害与多年冻土地温及含冰量密切相关,地温越高,含冰量越大,病害越为严重。青藏公路桥梁工程的病害主要集中在附属工程及上部结构上,而涵洞工程病害则主要由冻胀、融沉作用、泥石流淤积、冰塞以及施工原因导致。青藏铁路沿线现场监测及调查结果表明,目前铁路路基病害主要为高温冻土区普通路基的（不均匀）沉降变形、纵向裂缝、路桥过渡段沉降变形、风沙灾害及块碎石材料风化引起的冷却路基结构失效等。此外,青藏工程走廊内广泛分布着包括冻胀丘、冰椎、冰幔、热融湖塘等不良冻土地质现象,当上述不良地质现象与工程接近时,会对道路工程的稳定性造成威胁,严重时可导致一些工程病害的发生。     

地温对冻土动力特性及其场地地震动参数的影响

地温是影响冻土力学性质的重要参数之一。本文基于对2001年11月14日昆仑山口西8．1级大震在多年冻土区所造成的地表变形与地震破坏特征的定量调查结果，通过冻土的振动三轴实验，研究了地温对冻土动本构关系、动弹性模量、阻尼比、动强度等动力特性参数的定量影响规律；进而利用青藏铁路沿线4个冻土剖面和该区50年超越概率分别为63％、10％和2％的场地基岩地震动时程，分析计算了不同地温下冻土场地地震动参数的特征，研究了地温对冻土地面地震位移、速度、加速度和反应谱等的定量影响，为冻土区工程地基、路基以及地下工程震害防御提供了科学依据。     

青藏公路沿线冻土的地温特征及退化方式

青藏高原多年冻土(以下简称冻土)具有地域分布广、厚度薄及稳定性差等特征. 过去几十年的气候变暖背景下, 冻土广泛退化, 地温升高, 夏季最大融化深度加深, 冬季冻结深度减小. 冻土已经产生下引式、上引式和侧引式退化. 冻土层厚度减薄, 或者在某些地区彻底消失. 冻土退化模式研究在冻土学、寒区工程和寒区环境管理方面具有重要意义. 由南至北穿越560 km冻土区的青藏公路沿线(简称青藏线)冻土在青藏高原腹地具有很好的代表性. 在水平方向上, 冻土退化在多年冻土下界附近的零星冻土分布区、融区边缘和岛状冻土区表现得更为明显. 当最大季节融化深度超过最大季节冻结深度时, 冻土开始下引式退化; 通常形成融化夹层, 造成多年冻土和季节冻结层不衔接. 当多年冻土层中地温梯度减小到小于下伏或周边融土层时, 则产生上引式或侧引式退化. 下引式退化进程可分为4个阶段: (1) 初始退化阶段, (2) 加速退化阶段, (3) 融化夹层阶段, (4) 最终多年冻土彻底融化为季节冻土阶段. 当多年冻土中地温梯度降至下伏融土层地温梯度以下时, 则产生上引式退化. 3种类型冻土温度曲线(稳定型、退化型和相变过渡型)展现了这些退化模式. 虽然存在不同地段和类型的地温特征, 三种退化模式的各种组合最终将使多年冻土消融, 转变成季节冻土. 过去25年来, 青藏线冻土年平均下引式退化速率变化在6~25 cm, 年平均上引式退化速率在12~30 cm, 零星多年冻土区年平均侧引式退化速率为62~94 cm. 这些观测结果超过所报道的过去20年来阿拉斯加亚北极不连续冻土区4 cm的年平均退化速率, 蒙古国不连续冻土区的4~7 cm的年平均退化速率, 以及雅库悌共和国亚北极和阿拉斯加北极稳定性冻土区退化速率.     

多年冻土区青藏铁路列车荷载作用下路基振动响应研究

针对多年冻土区青藏铁路列车荷载振动作用下的动稳定性,通过对北麓河和二道沟三个典型铁路路基横断面振动响应的二分量加速度观测,对比分析客运列车和货运列车引起的路基振动特性和衰减规律,研究不同防护形式路基的列车振动响应。结果表明,路基上的振动作用主要集中在40～80Hz频率范围内;防护形式对路基的列车动力响应有明显影响,热棒加碎石路基动力响应最小,其次为碎石防护路基,未采取任何防护的路基铁轨上的动力响应最大,建议对未采取防护的路基进行防护。分析结论为青藏铁路列车作用下的路基动稳定性评估提供实测依据,对多年冻土区的路基稳定性研究提供参考。     

青藏高原多年冻土区天然气水合物形成条件模拟研究

基于野外气体地球化学调查研究,以及前人有关冻土表层温度、冻土层内地温梯度、冻土层下地温梯度等的资料,对青藏高原多年冻土区天然气水合物的形成条件开展了模拟研究. 结果显示：研究区冻土条件能够满足天然气水合物形成的基本要求;气体组成、冻土特征（如冻土厚度或冻土表层温度、冻土层内地温梯度、冻土层下地温梯度等）是影响研究区天然气水合物稳定带厚度的最重要因素,其在不同点位上的差异性可能导致天然气水合物分布的不均匀性的主要原因;研究区最可能的天然气水合物为甲烷与重烃（乙烷和丙烷）的混合气体型天然气水合物;在天然气水合物分布的区域,其产出的上临界点深度在几十至一百多米间,下临界点深度在几百至近一千米间,厚度可达到几百米. 与Canadian Mallik三角洲多年冻土区相比,青藏高原多年冻土区除了冻土厚度小些外,其他条件,如冻土层内地温梯度、冻土层下地温梯度、气体组成等条件较为相近,具有一定的可比性,预示着良好的天然气水合物潜力.     

多年冻土场地路基地震响应动应力性状研究

以青藏铁路工程抗震设计与地震加固为应用背景,基于冻土场地路基的若干典型工况,开展多年冻土场地路基地震响应动应力性状的研究工作。研究表明,与不同的场地地形条件相比,冻土层对路基地震响应动应力的影响更加突出,尤其是含冻土层路基的地震动应力幅值、频率较不含冻土层路基的地震动应力幅值、频率大得多,因而冻土层的存在可能加剧了路基的震害响应。     

开放边界条件下青藏铁路抛石路基的降温效果分析

铁路道碴铺层和抛石层可以看作多孔介质, 其内部流体的对流换热为多孔介质的传热传质问题. 目前抛石路基作为一种特殊的新型路基结构已在青藏铁路得到广泛应用, 但其抛石层多为上下封闭、左右开放, 内部空气与外界连通, 对流与传热模式变的更为复杂. 因此, 基于多孔介质中流体热对流的连续性方程, 非达西流动量方程及能量方程, 针对青藏铁路的气温条件和地质条件, 对开放边界、不同路堤高度(抛石层厚度为1.5 m)的抛石路基内速度场及其在未来50年的温度场特征进行了研究与分析. 结果表明: 在外界风的作用下, 这种开放路基道碴和抛石层内的对流换热方式以强迫对流为主; 并且在年平均气温为-4.0℃, 考虑未来50年气温上升2.6℃的情况下, 其降温效果较好, 路堤下有低温冻土核生成; 并且较高路基降温效果好于较低路基, 这主要是由于较高路堤底部较宽, 对下部冻土产生的影响范围较大; 但由于主导风向的影响, 较高路基的下部温度场出现左右不对称现象, 这很可能会造成路基整体的横向不均匀变形, 而较低路基无此现象发生, 这应引起设计与施工部门的足够重视.     

局地因素对多年冻土分布的影响及其对青藏铁路设计的启示

青藏铁路的修建面临着高温、高含冰量冻土和气候转暖的难题. 要解决这一难题, 确保青藏铁路的成功, 必须将以往在冻土区筑路常用的以增加热阻为手段的消极的保护冻土原则, 改变为以“冷却地基”为手段的积极的保护冻土原则. 文章挖掘了由局地因素影响造成的多年冻土“异常”分布的众多实例, 并分析了这些局地因素通过改变辐射、对流和传导, 对多年冻土生成和保存的作用机理, 用自然过程长期作用的结果证明“冷却地基”的方法是可行的. 领悟多年冻土“异常”分布为我们提供的启示, 可以有目的地选用路堤填料和构思新的路堤结构, 用以调控辐射、调控对流、调控传导和综合调控, 以达到“冷却地基”的效果, 抵消气候转暖的影响, 确保青藏铁路的安全和稳定.     

基于试验的多年冻土典型路基形变研究

多年冻土塑性形变特性是理解其应力响应性态及过载退化的关键，也是近年来冻土工程和岩土工程学科研究领域的热点问题。基于三轴试验测得9%、12%和15%含水量条件下-1℃、-2℃多年冻土弹性模量、黏聚力和内摩擦角等土层物理力学参数，建立典型铁路路基模型，分析天然地震荷载作用下多年冻土区铁路路基在温度升高、强度退化作用下的塑性形变规律。结果表明：随着温度升高冻土强度退化，-1℃的塑性形变大于-2℃各坡脚、路基中心处的塑性形变；左右坡脚处塑性形变具有对称性分布规律；典型铁路路基试验土层地温由-2℃升高到-1℃，9%含水量试验土层塑性应变左坡脚放大3.5倍、右坡脚放大4.9倍，12%含水量试验土层塑性应变左坡脚放大1.6倍、右坡脚放大2.5倍。多年冻土退化条件下12%含水量的试验土层表现出良好的稳定性，在同等受力条件下塑性变形增长最小。     

气候变化条件下东北地区多年冻土变化预测

东北多年冻土（除非指明是季节冻土,以下将多年冻土简称冻土）是中国第二大冻土分布区,主要发育＂兴安-贝加尔型＂冻土.由于处在欧亚大陆冻土区南缘,冻土的热稳定性差,寒区生态的敏感性强.在气候变暖条件下,冻土已经和正在发生着＂三向＂退化.为预测冻土南界和地温变化,根据47个气象站资料并在SHAW模型对植被影响地表温度修正的基础上,建立了冻土地表温度分布的等效纬度模型.结合非稳态热传导模型的有限元数值计算,以多模型结合的方法,进一步计算和分析了目前、50年和100年后冻土地温分区变化.结果表明,在目前地表温度为1.5℃范围,仍可残留冻土.以0.048℃a-1气温递增速率,在目前地表温度为0.5℃和-0.5℃的区域,50年和100年后各自仍有可能存在冻土;冻土面积将由现在的2.57×105 km2各自减至1.84×105和1.29×105 km2,分别减少28.4%和49.8%,且东部退化幅度大于西部.同时,区域地温升高,冻土厚度减薄;稳定型（年平均地温Tcp≤-1.0℃）冻土面积逐渐减小,将由现在的1.07×105 km2分别减少至8.8×104 km2（50年后）和5.6×104 km2（100年后）.相应地,不稳定型（Tcp〉-1.0℃）多年冻土和季节冻土的面积增加,冻土南界将显著北移.冻土环境的变化,将给东北寒区工程设施和生态环境带来重要影响.减少或避免人为地改变冻土赋存条件,是保护冻土环境较可行的途径.     

人类工程活动下冻土环境变化评价模型

提出用冻土热稳定性、热融敏感性及地表景观稳定性来评价人类工程活动下冻土环境变化, 并提出冻土环境的定量评价模型. 利用青藏公路沿线28个地温监测资料, 对冻土环境评价模型进行计算. 分析冻土热融敏感性与冻融过程和季节融化深度之间的关系; 冻土热稳定性与多年冻土顶板温度、年平均地温及季节融化深度之间的关系; 地表景观稳定性与冻融灾害之间的关系及产生的可能性. 结果表明, 冻土热稳定性、热融敏感性和地表景观稳定性可用来评价和预报人类工程活动下冻土环境的变化特征.     

青藏高原冻土区冻土与植被的关系及其对高寒生态系统的影响

选择高寒生态系统植被覆盖度、生物生产力和土壤养分与组成结构等要素和冻土环境的冻土上限深度、冻土厚度和冻土地温等指标, 分析了冻土环境与高寒生态系统之间的相互关系, 并基于气温与冻土温度间的统计模型, 建立了高寒生态系统对冻土环境变化的响应分析模型. 通过对青藏高原昆仑山-唐古拉山区域冻土环境要素在人类工程活动与气候变化双重作用下的变化及其对高寒生态系统的影响研究, 表明青藏高原冻土环境变化对高寒草甸和高寒沼泽草甸生态系统影响强烈, 随冻土上限深度增加, 高寒草甸植被覆盖度和生物生产量均呈现较为显著递减趋势, 并导致高寒草甸草地土壤有机质含量呈指数形式下降, 土壤表层砂砾石含量增加而显著粗砺化; 高寒草原生态系统与冻土环境的关系相对微弱; 全球气候变化及其作用下的冻土环境变化导致该区域近15年间高寒沼泽草甸生态系统分布面积锐减28.11%, 高寒草甸生态分布面积减少了7.98%. 在不同气温升高的情景下, 未来50年, 不同地貌单元的高寒草甸生态系统对冻土环境变化的响应程度不同, 其中位于低山和平原区的高寒草甸生态系统将产生较显著的退化, 从植被覆盖度和生物生产量两方面, 定量给出了不同气候变化情境下不同典型地区和地貌单元的高寒生态系统变化特征. 未来在工程活动中采取有效的冻土环境保护措施, 对高原冻土工程稳定性和维护高寒生态系统都具有重要意义.     

青藏铁路高温多年冻土区列车行驶路基长期永久变形数值模拟研究

基于动三轴试验建立的冻结、融化状态青藏铁路粉质黏土的累积塑性应变模型,考虑路基土体动应力的作用,二次开发适用于青藏铁路高温极不稳定多年冻土区路基长期永久变形的蠕变法则,并在既有的黏弹塑性本构模型将其引入,计算列车荷载作用下青藏铁路路基的永久变形。分析结果显示：（1）列车荷载作用下距离路基顶面不同埋深土体的累积动力永久应变随着等效振次的增加而增加,并且先期的增长速度较快,最终趋于稳定,长期沉降在路基中心处最大,最终在路基距离轨道最远处几乎为零;（2）随着列车速度的增加,路基中心永久变形逐渐增大;（3）随着列车轴重的增加,路基中心永久变形逐渐增大,并且随着埋深的增加,列车轴重对路基永久变形的影响逐渐变小;（4）随着冻结深度的增加,路基表面累积塑性变形呈降低趋势;随着融化深度的增加,路基表面累积永久变形增加。     

多年冻土区桥头路基表面太阳辐射分析

在多年冻土区桥头路基的病害程度远远高于普通路基,这主要是由桥头路基更为复杂的非均匀受热状况引起的.桥头路基各面太阳辐射的差异性是引起桥头路基受热非均匀的重要原因.针对传统分析方法无法对桥头坡面太阳辐射情况进行分析的问题,基于太阳辐射强度和太阳运动随时间的变化规律,提出利用遮阳原理对桥头路基各表面的太阳辐射规律进行研究的方法.分析发现冻土区桥头路基侧面和顶面之间的辐射情况存在很大的差异,其差异性与路基的走向、边坡角度等因素密切相关,其中边坡角度越大其差异性越大,东西走向路基的差异性最大.桥头坡面的太阳辐射存在明显的非均匀性,表现为越靠近桥面的辐射越少,其分布规律与路基走向、坡面高度、坡面角度等因素相关.