中国青藏铁路北麓河路基冻土动应变速率试验研究

阐述了青藏铁路北麓河试验段路基保温材料试验段路基结构、试验监测方案。通过试验路基建成一年以来的观测数据对路基下伏多年冻土的变化动态、通过保温板的热收支、保温板上下面的积温等进行了初步分析。分析结果表明:路基保温材料处理措施在一定程度上具有保护多年冻土的作用,对于高路基原天然地表下活动层内会形成持久的零温带;进入保温板的热量在路基阴阳面呈现不对称,阳面吸热明显大于阴面。

利用五道梁气象观测站1973—2015年43a的实测数据(风速、风向、能见度、相对湿度),分析了北麓河段的风况特征。研究结果显示:北麓河地段属于高风能环境,主导风向为w、wnw,大风主要集中在11月~12月(冬季),1月—3月(春季)。2000年后风速趋于稳定,而沙害程度加深,造成该现象的原因是温度的升高,冻土层和表层冰雪消融,导致表层土壤松散,沙物质增多。北麓河段主要害风风向为w和wnw,故北麓河南北两岸所受沙害程度差异不大,建议适当增加北岸沙障数量,减少南岸沙障排数；在北麓河段的东西向上,采取以输沙为主的防沙措施减少河岸附近沙障的积沙。

考虑相变和全球气温升高的影响,利用数值分析方法,对青藏铁路目前惟一的l型支挡结构的温度场进行了数值模拟。通过建立路基温度场有限元模型,选取适当的边界条件、初始条件及热学计算参数,计算北麓河试验路基断面10a内的地温变化情况,并与2a的地温实际测试资料进行对比分析。冻土融化深度数值计算和实测数据吻合较好,反映地温对气温变化的滞后响应特性,表明计算模型是可信的,计算结果可供参考。未来10a的数值计算结果表明:最大融深(或冻土上限)没有下降,表明冻土已经形成新的平衡,冻土上限稳定。可以预见该土工结构最终会达到一个稳定的热平衡状态,表明l型这种柔性支挡结构应用于多年冻土地区是适宜的。

通过对青藏铁路清水河段站场路基的初步试验,获取了地温变形数据,探讨站场路基的冻结和融化过程的规律.实验表明:站场路基下冻土人为上限发生了上移,多年冻土得到了保护,为类似路段多年冻土工程提供借鉴.

基于青藏铁路北麓河试验段块石路基与普通路基3个完整冻融循环周期内的地温数据,对比分析了两种路基下原天然地面处与原冻土天然上限处的地温变化过程以及路基不同部位下部土体的地温年际间变化过程。试验结果表明:块石路基下降温趋势明显且低于普通路基,原天然地面处低0.4～0.9℃,原天然冻土上限处低0.3～0.6℃。块石路基下部土体降温范围与降温幅度均大于普通路基,块石路基右路肩下部土体降温范围大于普通路基3m,块石路基中心下部土体降温范围大于普通路基2m。块石路基下部土体通过块石层与外界气体发生热交换强度不一致,右路肩下部最强,路基中心下部次之,左路肩下部最弱。

在环境温度季节性变化的条件下进行室内模拟试验,探索了模拟冻土路基活动层形成的试验方法,研究了青藏高原多年冻土区路基活动层的形成活动规律。试验表明:活动层从初始形成到基本稳定过程中,近地表土层对外界温度场的变化响应灵敏,随外界温度的改变出现规律的波动;深层土层对外界温度的变化表现出滞后性,温度曲线波动幅度较小;活动层在趋于稳定的过程中土层的温度特征呈现出较为明显的区域相似性,在一定外温影响范围内土层温度场变化规律接近;在环境负温的初期表层土层迅速降温,活动层厚度开始逐渐减小。受外界气温及深层冻土冷源作用的共同影响,活动层冻结过程中会出现从上下边界同时冻结的现象,加快了活动层的冻结速度。

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1.66m;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。

冻胀和融沉是影响寒区路基稳定性的两大问题.对于多年冻土到融区过渡段路基,除考虑冻胀和融沉外,还应考虑多年冻土区和融区路基沉降变形差和冻胀变形差问题.根据青藏铁路沱沱河试验段路基在竣工后3a内的现场试验数据,分析了有代表性路基的地温变化、路基基底变形以及整个试验段的冻胀、沉降变形差问题,计算出了多年冻土与融区过渡段路基的合理长度.结果表明:多年冻土与融区过渡地带沉降总变形量相差较大,但从年沉降速率来看,路基不会产生突降,且随着沉降速率逐渐减小,路基趋于稳定;试验段内冻胀量差异不大,不会影响线路平顺度.对于本试验段此类工程地质条件,可以采用允许多年冻土融化原则的工程措施.

在环境温度季节性变化的条件下进行室内模拟试验,探索了模拟冻土路基活动层形成的试验方法,研究了青藏高原多年冻土区路基活动层的形成活动规律。试验表明：活动层从初始形成到基本稳定过程中,近地表土层对外界温度场的变化响应灵敏,随外界温度的改变出现规律的波动;深层土层对外界温度的变化表现出滞后性,温度曲线波动幅度较小;活动层在趋于稳定的过程中土层的温度特征呈现出较为明显的区域相似性,在一定外温影响范围内土层温度场变化规律接近;在环境负温的初期表层土层迅速降温,活动层厚度开始逐渐减小。受外界气温及深层冻土冷源作用的共同影响,活动层冻结过程中会出现从上下边界同时冻结的现象,加快了活动层的冻结速度。

针对青藏铁路北麓河试验段通风管路基结构的工程效果,基于试验路基在第一个冻融循环周期内的温度监测资料,初步分析了路基温度的发展与温度场分布特征,并对通风管铺设位置、高度等的影响进行了初步分析。结果表明,通风管在路基具有保护多年冻土的作用,同时,管径较大的通风管工程效果相对较好,通风管埋设位置低的路基工程效果要优于通风管埋设位置高的路基。

青藏铁路——世界冻土工程博物馆 关键词：青藏高原、冻土、地基、片石层通风路基、热棒等 青藏高原是世界上面积最大、海拔最高的高原，地理位置独特，自然环境恶 劣，地质条件复杂，素有“世界屋脊”、“地球第三极”之称。青藏铁路格拉段将 穿越约547km多年冻土地段，另有部分岛状冻土、深季节冻土、沼泽湿地和斜 坡湿地，全线线路海拔高程大于4000m地段约960km，在唐古拉山越岭地段， 线路最高海拔为5072m，为世界铁路海拔之最。“高原”和“冻土”问题是本线 的两大难题，其特殊性和复杂性在世界上独一无二。【1】 冻土，是指温度在0℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤。冻土在冻结的状 态下体积膨胀，到了夏季，冻土融化体积缩小。冻土的冻结和融化交替出现，就 会造成路基不稳定，影响正常通车。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含 有丰富的地下冰，水分产生迁移并具有相变变化特征，因

通过对青藏铁路多年冻土区路基施工特点的分析,提出对青藏铁路多年冻土区路基施工的认识。指出解决多年冻土,是青藏铁路施工成败的根本

多年冻土是青藏铁路建设面临的主要难题之一。在多年冻土地区的斜坡地带往往发育有湿地等不良地质现象,对于路基修建的安全造成严重影响。描述了青藏铁路多年冻土区dk1487+717～dk1487+880段的路基设计情况,总结了关于多年冻土斜坡湿地地段的路基设计体会。

本文主要利用青藏铁路北麓河厚层地下冰试验段中普通路基下部冻土温度的监测资料,对路基下部冻土温度变化和热收支特征进行了分析,并对修筑普通路基后多年冻土热融蚀敏感性和热稳定性进行了计算。结果表明,修筑普通铁路路基后,虽然多年冻土人为上限有较大幅度抬升,但原天然上限以下多年冻土温度却逐年升高,表现为显著的吸热状态。同时冻土热融蚀敏感性增强,冻土热稳定性下降,对路基热稳定性将产生较大的影响。

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30cm。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。

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.

简要介绍了青藏铁路试验段路基的施工过程,及一个冻融周期后路基所出现的病害,对所存在的问题进行了初步分析,并提出了高原冻土地区路基施工的一些方法。

基于埋设在青藏铁路清水河地区路基中两个断面内的共8个地温测试孔3年来的地温观测资料,研究了该地区铁路路基下伏高原多年冻土融化特征,分析了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。多年冻土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。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。

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。

以青藏铁路西格段季节性冻土区路基冻害为背景,通过现场采集典型分布的粉质黏土,考虑温度、水分、盐分、压实度4个因素,进行室内冻胀试验,测试不同温度下路基土体的冻胀率,分析不同含盐量、含水率、压实度和温度下的冻胀试验数据.结果表明:对于不同压实度和含盐量的试样,冻胀率随含水率增加逐渐增大;随着含盐量的增加,土体的起胀温度逐渐降低,土体的冰点也随之降低;含盐量低于1.0％时,随着压实度的增加土体冻胀率呈增大趋势,含盐量为2.0％时,土体冻胀率不随压实度的变化而变化,进一步增大含盐量时,土体的冻胀率随压实度的增加反而降低,说明通过增加土体盐分的方法整治路基冻害是可行的,但要注意用盐量.

以青藏铁路西格段季节性冻土区路基冻害为背景,通过现场采集典型分布的粉质黏土,考虑温度、水分、盐分、压实度4个因素,进行室内冻胀试验,测试不同温度下路基土体的冻胀率,分析不同含盐量、含水率、压实度和温度下的冻胀试验数据。结果表明:对于不同压实度和含盐量的试样,冻胀率随含水率增加逐渐增大；随着含盐量的增加,土体的起胀温度逐渐降低,土体的冰点也随之降低；含盐量低于1.0%时,随着压实度的增加土体冻胀率呈增大趋势,含盐量为2.0%时,土体冻胀率不随压实度的变化而变化,进一步增大含盐量时,土体的冻胀率随压实度的增加反而降低,说明通过增加土体盐分的方法整治路基冻害是可行的,但要注意用盐量。

经过一个冻融循环,青藏铁路清水河试验段出现了较多裂缝.不同工程措施的路基产生不同数量的裂缝.本文通过清水河试验段路基裂缝的详细调查资料,分析了裂缝产生的原因,并对裂缝进行了分类.同时分析了不同工程措施的路基裂缝产生情况.