青藏铁路块石路基冷却降温效果对比分析

基于现场地温监测数据,对青藏铁路两种主要块石路基（块石护坡及U型块石路基）在不同年平均地温分区的冷却降温效果进行对比分析,发现不论是在低温基本稳定区（年平均温度-2.0 ℃≤TCP<-1.0 ℃）还是高温极不稳定区（TCP>-0.5 ℃）,两种块石路基的应用都能够有效地提升路基下部多年冻土上限。但两种不同块石结构路基表现出不同的冷却降温效果,其中U型块石路基冷却降温效果较好,在路基下多年冻土上限提升及下伏浅层多年冻土降温的同时,深层多年冻土温度保持稳定;而块石护坡路基下人为多年冻土上限的提升及浅层多年冻土温度的降低一定程度上消耗了下伏深层多年冻土的冷量,从而导致其温度有所升高。同时,在不同的年平均地温分区块石路基表现出不同的冷却降温效果：年平均地温较低断面,块石路基冷却降温效果显著。在年平均地温较高的断面,尤其是高温极不稳定多年冻土区,块石护坡路基下伏深层多年冻土温度升高明显,路基长期稳定性难以得到保证。     

高温冻土区U型块石路基长期降温效果及变形特征研究

U型块石路基作为块石护坡与块石基底两种结构路基的组合,同时也作为青藏铁路的一种主要补强措施,其在高温冻土区的长期降温效果备受关注。基于长期的现场监测资料,对青藏铁路楚玛尔河高温冻土区一处U型块石路基的长期降温过程、降温机制以及变形特征进行了研究。结果表明:U型块石路基表现出持续稳定的降温效果,路基下部多年冻土上限附近降温明显,上限抬升迅速,且进入稳定状态。基底块石层底、顶板温差存在明显冷暖季差异。阴坡侧块石层每年1月至3月初为相对强烈自然对流期,阳坡侧相对缩短半个月时间。受工程热扰动影响,深层的多年冻土在经历2~3年升温过程后,呈现显著的降温过程。路基变形整体表现为较小的沉降量,变形主要来源于早期路基下部高温冻土层的压缩变形。总之,U型块石路基在高温冻土区表现出长期有效的降温效果,变形量有限且已趋于稳定,路基整体稳定性可以得到保证。     

青藏铁路碎石护坡-热管复合措施的补强效果研究

青藏铁路高温冻土区的普通路基和保温材料路基均处于热不稳定状态, 需要对它们增设碎石护坡-热管复合措施来强化处理, 新增设的补强措施对路基下部冻土的保护效果如何是人们极为关心的问题. 因此, 对北麓河高温高含冰量路段增设了碎石护坡及热管的复合补强措施后路基下部土体的热状态进行观测.结果显示:普通路基在增设补强措施后, 人为冻土上限进一步抬升, 阴阳坡下均出现显著的降温趋势, 且路基下温度场逐渐趋于对称, 降温范围逐渐向路基中心及深部发展, 路堤中心深部地温仍处于增温状态, 但增温趋势明显缓减; 保温材料路基在增设补强措施后, 人为冻土上限也进一步的抬升至保温板附近, 融化夹层在2个冻融周期后消失, 路堤中心温度在2个冻融周期后出现了降温趋势. 这些效果说明, 补强措施在调控路基内部及下部多年冻土温度时发挥了积极作用.     

风积沙环境下高等级公路冻土块石路基降温性能分析

青藏高原脆弱的生态系统以及人类工程活动,加剧了青藏工程走廊线性工程两侧沙漠化、荒漠化发展趋势,尤其冻土块石路基面临日益严重的风积沙灾害问题。以多年冻土区高等级公路块石路基为研究对象,采用数值模拟分析风积沙环境下封闭块石路基的降温性能和长期热稳定性。结果表明：风积沙堆积对封闭块石路基下部土层冻土温度的影响程度高于冻土上限,1.0 m湿沙工况降低冻土温度,0.2 m干沙则增大冻土温度。升温背景下,随年平均气温增加风沙堆积对路基冻土上限影响程度增强,干沙增大冻土融化深度,湿沙抬升冻土上限。随冻土含冰量减小,路基中心冻土上限对气候升温敏感性增加,风沙堆积影响减弱。气候升温和风沙堆积条件下,在年平均气温低于-5.5℃时,宽幅沥青路面封闭块石路基能够满足降温要求,使人为冻土上限保持在块石层内。研究成果可为风沙危害区多年冻土块石路基的病害治理和拟建青藏高速公路块石路基设计提供科学依据。     

U型块石路基结构对多年冻土的降温作用

通过对比北麓河试验段U型块石路基结构和普通路基下部土体温度监测研究,U型块石路基显著地抬升路基下部多年冻土上限,具有较强的降低多年冻土温度的作用.2005—2007年间,U型块石路基下多年冻土上限平均抬升幅度达0.9~1.4 m.路基中心下部0.5 m深土体温度降温幅度达1.13℃,原天然上限附近土体温度降温达1.28℃,5 m深的多年冻土降温幅度达0.77℃,且U型块石路基下部土体温度呈现逐年降低的趋势.然而,普通路基下部土体温度远比U型块石路基下部要高,2005年普通路基下部0.5 m深土体年平均温度比U型块石路基高1~3℃,1.5 m处高0.8~1.9℃,5 m处高1.2~1.5℃.同时,U型块石路基下部多年冻土上限抬升比普通路基大,2004—2006年间U型块石路基左路肩下多年冻土上限抬升比普通路基大0.86 m,路基中心大0.5 m.     

青海省共和-玉树高速公路新建块石路基下的温度状况分析

块石路基是多年冻土区应用最为广泛的多年冻土路基形式. 为了研究多年冻土区修筑高速公路后块石路基的效果,选取青海省新建共和-玉树高速公路3个块石路基监测断面的实测资料,对路基修筑初期多年冻土温度状况进行了分析. 结果表明：路基修筑初期路基中心原天然地表下0.5 m处仍表现出季节变化规律,至原多年冻土上限深度处,温度波动幅度急剧减小. 块石路基的保温效果与年平均地温密切相关,年平均地温越低,对冻土的保护效果越显著. 受阴阳坡效应的影响,左路肩/坡脚温度高于右路肩/坡脚. 左右路肩及中心孔下多年冻土上限都得到不同程度的抬升,抬升幅度主要受路基高度影响,与多年冻土年平均地温没有必然关系.     

风积沙对青藏铁路块碎石路基降温效果的影响

风沙危害正在威胁着青藏铁路的安全营运. 通过数值方法研究了风积沙填堵和覆盖青藏铁路块碎石路基后, 块碎石层降温机理以及降温效果的变化特征. 结果表明:开放条件下块石路基具有较强的强迫对流效应; 风积沙填堵后, 块碎石层降温效果减弱. 封闭条件下, 冷季路基坡脚处自然对流较强, 冻土上限抬升; 路基内部自然对流较弱, 由于路基填土作用, 路基中心处冻土上限抬升较大, 但随时间增长而降低; 沙层覆盖后, 块碎石层降温效果减弱, 路基下部冻土上限下降. 在气候变暖背景条件下, 封闭块碎石层自然对流减弱, 冻土上限下降, 不利于冻土路基的热稳定. 因此, 建议对沙害路段的块碎石路基采取补强措施.     

路面类型对多年冻土区片块石路基热状态的影响

为了研究不同路面类型对高温多年冻土区路基的热稳定性的影响,基于温度监测数据,针对沥青混凝土路面和水泥混凝土路面下片块石路基温度、热流密度、热收支变化、冻融循环过程及冻土上限变化进行了详细的分析。发现沥青混凝土路面和水泥混凝土路面都对片块石路基的温度有较大的影响,但沥青混凝土路面影响程度和深度远比水泥混凝土路面大。片块石路基中心热收支量呈上升趋势,沥青混凝土路面下其上升速率大于水泥混凝土路面,且路基阳坡热收支量大于阴坡。无论路面材料为沥青混凝土路面还是水泥混凝土路面,片块石路基阴阳坡路肩冻土仍处于不断退化阶段,而阳坡冻土上限下降速率明显大于阴坡。与普通路基相比,片块石层的存在能大幅度抬升或减缓路基冻土上限下降,且浅色水泥混凝土路面更有利于路基的热稳定性。     

多年冻土区高等级公路特殊路基长期降温效果研究

气候变暖背景下,块石路基及通风管-封闭块石基底复合路基成为多年冻土区高等级公路冷却路基的主要结构形式. 为探明不同直径块石层的渗流特征和规律,开展了立方排列球体室内风洞试验,一方面获得了渗透率和惯性阻力系数及其与球体直径间的统计关系;另一方面得到了球体层内部压力梯度与渗流速度呈二次非线性关系. 基于该试验得到的参数和关系,采用多孔介质中流固耦合传热模型,通过有限体积法模拟了柴木铁路块石路基的降温效果,并利用实测数据验证了模型及参数的可靠性. 在此基础之上,以青藏高等级公路特殊路基为原型,使用该传热模型开展了封闭块石基底路基和通风管-块石复合路基长期冷却降温效果的数值模拟研究. 结果表明：封闭块石基底路基和通风管-封闭块石复合路基在研究期内均有降温效果,可以提高路基下人为上限,而块石夹层路基在一定时期内可以提高冻土上限,但下部土体温度升高,长期降温效果较差.     

青藏铁路普通路基下部冻土变化分析

高温高含冰量冻土地区,青藏铁路采取了冷却路基、降低多年冻土温度的工程措施.然而青藏铁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冻土变化也是普遍关心的问题.根据青藏铁路普通路基下部土体温度监测的近期结果,分析了季节冻土区、已退化多年冻土区和多年冻土区路基下部冻土变化特征.结果表明,不同区域修筑普通路基,其下部土体温度、最大季节冻结深度、多年冻土上限等存在较大的差异.在季节冻土和已退化多年冻土区,右路肩下部(阴坡)已形成冻土隔年层;在多年冻土强烈退化区,其路基下部形成融化夹层;在高温多年冻土区,其路基下部上限存在抬升和下降,上限附近土体温度有升高的趋势.在低温多年冻土区,其路基下部上限全部抬升,上限附近土体存在"冷量"积累,有利于路基下部多年冻土热稳定性.因此,低温多年冻土区修筑普通路基后,冻土变化基本是向着有利于路基稳定性的方向发展,在其它地段修筑普通路基,冻土变化是向着不利于路基稳定性的方向发展的.特别是阴阳坡太阳辐射差异,导致了土体热状态和多年冻土上限形态产生较大的差异,这种差异将会对路基稳定性产生一定的影响.     

透壁式通风管-块石复合气冷路基室内模型试验研究

为了研究透壁式通风管-块石复合气冷路基的降温效果,针对年均气温约-3.5℃,平均风速2.5 m·s^-1,主导风向为西北方向的高原环境条件开展室内模型试验,分析了单一块石气冷路基和透壁式通风管-块石复合气冷路基的孔隙空气对流速度、特征点地温变化过程以及模型整体温度场变化过程.结果表明：在透壁式通风管的疏导作用下,透壁式通风管与块石层的复合结构能够起到强化路基体对流的效果,复合路基块石孔隙中的空气流速比单一块石路基提高约20%,由此导致复合路基模型底部的降温幅度是单一块石路基模型的2.2倍.模型整体温度场表明,复合路基能够起到储存冷量、降低下伏多年冻土地温的作用.     

表面条件对透壁通风管碎石路堤降温效果的影响

针对青藏高原冻土区高速公路拟采用的透壁通风管碎石路堤,进行了表面开放和封闭透壁通风管碎石试样降温效果的室内试验,分析比较了表面开放和封闭边界条件对透壁通风管负温通风增强碎石路堤降温效果的影响差异。分析表明,表面开放和封闭透壁通风管碎石路堤都以外界空气通过管壁透气小孔与通风管附近碎石区域孔隙空气循环产生的强迫对流传热增强降温作用,另外,表面封闭透壁通风管碎石路堤能够在上部碎石区域产生孔隙空气循环的自然对流降温效应。因此,表面封闭透壁通风管碎石路堤的降温效果更为显著。     

青藏铁路多年冻土区片石通风路堤施工技术

结合工程实例详细介绍青藏铁路高原多年冻土地段片石通风路堤的参数选择、施工方法以及保证措施.通过以上的施工技术,取得了相应的阶段性成果:片石路基片石层顶面、底面与路基基底位置处地温分别低于普通路基相同位置处地温,片石路基有利于降低路基地温,是一种有效的主动保护多年冻土工程措施;片石路基在调节路基阴阳坡地温起到了积极的作用,减轻了路基地温不对称性的发生;对比片石路基和普通路基的路基变形量,片石路基的变形量相对较小.     

青藏铁路冻土路基变形监测与分析

基于现场监测资料,对作为青藏铁路中的主要保护冻土的几种路基形式（如：通风管路基、块石路基、块石护坡路基、保温材料路基和普通素土路基）进行了变形和温度分析,发现所有路基的变形均以沉降变形为主,且其变形与其下伏冻土的地温场变化密切相关。经过2～3个冻融周期后,通风管路基、块石路基、块石护坡路基和保温材料路基的变形已趋于稳定,而无任何措施的普通路基目前变形仍未稳定。另外,各种路基左右路肩均存在变形差。基于以上分析可得到一个启示：在高温、高含冰量冻土地区,由于路基下多年冻土温度升高产生的高温冻土压缩变形而引起的路基沉降变形具有相当大的量级,很有可能成为冻土路基发生破坏的一个重要原因,工程实践中应给予足够的重视。     

青藏高原多年冻土区碎石护坡降温作用及效果分析

基于青藏高原北麓河多年冻土区碎石护坡路基与普通路基温度监测资料分析,结果表明:碎石层的铺设具有减小坡面年平均温度及坡面温度年较差的作用;与普通路基相比,碎石护坡在暖季主要起到隔热作用,但在冷季主要存在不利于路基散热的弊病.从路基人为冻土上限抬升状况、温度降低程度和路基变形量的差异来看,碎石护坡路基较普通路基有利于冻土路基的热稳定性.但碎石护坡调节路基内部温度场是一个长期过程,即坡面温度对多年冻土温度的影响具有滞后性,若作为青藏铁路多年冻土区补强措施使用时应慎重.     

边界条件对多年冻土路基热稳定性的影响分析

多年冻土区的年平均气温是影响冻土路基边界条件的重要因素. 在附面层原理的基础上,考虑采用带有相变的控制方程和数值方法,以相同尺度的路基模型为前提,选取不同的年平均气温为影响因素,对青藏工程走廊公路路基的人为冻土上限和年平均地温进行了研究. 结果表明：公路路基下年平均地温随着年平均气温的升高而升高,人为冻土上限随着年平均气温的升高而显著下降. 在年平均气温为-7.16 ℃时,路基修筑50 a后其年平均地温为-3.61 ℃,其人为冻土上限为-0.97 m;年平均气温为-3.21 ℃的条件下,路基修筑50 a后其年平均地温仅为-0.1 ℃,其人为冻土上限也降至-13.11 m. 因此,可以看出：在未来气候持续变暖的背景下,现有处于稳定状态的冻土路基将逐渐变得不稳定.     

多年冻土南界附近青藏铁路路基下的冻土退化

基于2006-2012年青藏铁路多年冻土区唐古拉山南侧安多断面地温监测资料,分析了多年冻土南界附近路基下多年冻土的退化过程及其影响因素.结果表明：该监测断面天然场地多年冻土退化表现为多年冻土天然上限下降与多年冻土地温升高,观测期内多年冻土天然上限下降0.29 m,下降速率为4 cm·a^-1;路基下10 m处多年冻土温度升高0.03℃,升温速率为0.004℃·a^-1.该监测断面路基左路肩下多年冻土退化表现为多年冻土人为上限下降、多年冻土地温升高、多年冻土下限抬升以及多年冻土厚度减少.观测期内多年冻土人为上限下降0.41 m,下降速率为6 cm·a^-1;路基下10 m处多年冻土地温升高0.06℃,升温速率为0.009℃·a^-1;多年冻土下限抬升0.50 m,抬升速率为7 cm·a^-1;多年冻土厚度减少0.90 m,减少速率为13 cm·a^-1.工程作用是导致路基下多年冻土退化的主要原因,气温升温与局地因素中的冻结层上水发育促进了这一退化过程.路基下融化夹层的出现,导致多年冻土垂向上由衔接型变为不衔接型.     

青藏铁路多年冻土地区碎石护坡路基非线性分析

为了研究碎石护坡对冻土区路基温度场的影响,以青藏铁路试验段现场观测的气候和地质资料为上边界条件,运用带相变瞬态温度场有限元数值解法,对不同厚度的碎石护坡路基进行了分析。结果表明:粒径为10 cm的碎石护坡对多年冻土区路基的稳定性有保护作用;碎石护坡对路基坡脚附近地温影响较大,采用碎石护坡对防止路基纵向裂缝的产生有一定的作用;实际应用中碎石层厚度不能太厚。