严寒地区客专路堤阴阳面地温及变形差异分析

基于对寒区哈(尔滨)齐(齐哈尔)铁路客运专线泰康试验段路堤的地温与变形监测资料分析,研究了严寒地区路堤阴阳面的地温和变形差异。测试和计算结果表明:(1)右侧(阴面)路肩和坡脚的最大冻深均大于左侧(阳面)相同位置;(2)地温大多数时间呈左高右低现象,同时阴、阳坡路基浅层相应深度处的温差不会随时间推移和埋深增大而完全消失,但阴、阳坡路基温差逐年减小并趋于恒定,且温差波动幅度随埋深逐渐减小;(3)基床表层阴、阳面各测点的冻胀起始时间一致,而阴面的融沉起始时间却比阳面晚一个月;当路堤浅层地温处于-2~0℃且冻结层上下同时发生融化时,路基冻胀显著,此时产生的冻胀量占总冻胀量的40%左右;(4)施工完成初期,路堤浅层和基底在阳面的累积沉降量较阴面大;距离坡脚越近,基底阴阳面沉降差异越明显,但该差异逐年减小。由此表明,即使有保温护道保护严寒地区冻土路基,经历多次冻融循环后,路基阴阳坡差异受外界气温影响仍然存在,但随时间推移逐渐趋于稳定。建议在严寒地区冻土路基的阳坡侧采取降低地温的措施,减小阴阳坡地温和变形差异,保持冻土路堤的整体稳定性。     

防冻胀护道型式对季冻区高铁路基冻结特征影响分析

基于哈大高铁典型断面的实测数据,运用非稳态相变温度场的数学模型及数值模拟的方法,采用有限元软件COMSOL Multiphysics对路基温度场进行了数值模拟,着重研究了不同型式防冻胀护道对季节性冻土区路基冻结特征的影响,分析了其对路基横向地温及横向冻深差异的消除效果。得出结论:增大防冻胀护道的高度可有效减少冷量从两侧侵入路基,能有效减小路基冻深;根据现有研究,建议在修建南北走向季节性冻土区高速铁路路基时采用阳坡侧较低,阴坡侧较高,且阴坡侧护道高度与路基齐平的非对称型式护道,以最大限度减小路基横向地温及横向冻深差异。     

高寒地区高速铁路路基冻深试验研究

根据自动监测的哈大高速铁路沿线不同区段大气温度和路基冻深数据,研究哈大高速铁路沿线路基冻深的发展变化特征。结果表明:路基的冻深发展过程可分为快速发展和双向融化2个阶段,最大路基冻深可达300cm;在路基冻深快速发展阶段,路基冻深的发展速率随着里程的增大而增大,全线路基冻深的发展速度在1.11~2.89cm·d-1之间;在双向融化阶段,深层融化线的上升速度约为1.36cm·d-1,而表层融化线的上升速度约为3.86cm·d-1;由于大气温度波动较大,很难直观反映其对路基冻深的影响,因此采用冻结指数分析大气温度对路基冻深的影响,冻结指数与路基冻深的关系可用对数函数拟合;与土壤最大冻深相比,路基最大冻深普遍偏大,这是由于在哈大高速铁路的路基冻深范围内所用非冻胀填料与天然土壤相比细颗粒少、含水率低、导热系数高所致,因此,在进行冻深计算时应充分考虑填料的热物特性。     

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。     

青藏铁路多年冻土区路基热防护工程效果分析

研究目的:我国青藏铁路的修建充分考虑了对多年冻土的保护,在路基热防护措施中采用了热棒路基,碎(片)石护坡、块石护坡、片石气冷等关键技术。文章对青藏铁路各种路基新结构的地温进行研究,通过地温值计算得出最大融化深度,从各年最大融化深度的对比分析,研究这些措施对保护多年冻土,保证线路安全的作用。研究结论:通过对实测数据的分析得出热防护措施能使路肩下最大融化深度减小。路基新结构的应用对保护多年冻土、降低地温、稳定路基是有效的。     

青藏铁路运营期间低温冻土区片石气冷路基工程效果分析

冻土区筑路技术问题的关键是冻土的热稳定性,这种热学问题的力学表现是路基变形。通过对青藏铁路运营期间冻土区典型地段路基地温场和路基变形特征的分析,指出青藏铁路冻土区路基地温场形态控制了长期运营期间的路基变形总量和横向差异变形总量。这些变形主要由冻土季节融化层土体的冻胀融沉变形、冻土压缩变形、冻土长期蠕变变形组成。工程监测以及理论计算证明了片石气冷路基结构保护冻土效果的长期可靠性,证明了其减少运营期路基变形,保证冻土区路基工程的长期稳定性的效果。     

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。     

青藏铁路多年冻土区热棒路基地温场分析

研究目的:为了及时掌握热棒路基的工程特性,把握热棒的降温效果,以便评价青藏铁路多年冻土区热棒路基的工程稳定性,本文选择青藏铁路一处热棒路基为研究对象,对该断面天然孔及左、右路肩孔2006～2009年的地温进行分析,研究热棒路基的降温效果.研究结论:通过分析得出0～1.5m深度范围内地温受气温影响变化较大,路肩孔1.5 ～10.0 m之间由于热棒的主动降温作用,地温呈逐年下降的趋势,并且在青藏铁路运营后的前2～3年内地温下降明显,表明热棒能快速降低地温,保护多年冻土.     

季节性冻土地区保温护道路基温度场数值模拟

研究路基及周围土体温度的分布规律是分析季节性冻土地区路基稳定性的重要基础,结合哈齐客专DK221+150断面3 a的现场监测数据,分析了天然地表及路基不同位置的地温分布规律;建立温度场的仿真模型,研究温度沿深度方向的变化规律;利用实测数据验证模型,分析保温护道高度对路基温度场的影响。现场监测和模拟计算结果表明:护道对路基的边坡下部和坡脚处影响较大,能够有效减小冻深,但对路基中心的温度场影响不大。     

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℃。     

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。     

坡脚水热效应和渗流效应对路基冻融深度人为上限的影响试验研究

在冷热交变试验箱内构建冻土路基模型,进行室内冻融循环模拟试验,研究坡脚水热效应单独作用及热效应与渗流效应共同作用对冻土路基人为上限的影响。结果表明:坡脚水的热效应在季节性冻融活动层融化及冻结的初期对人为上限的影响较为明显,此后热效应的作用逐渐减弱,人为上限趋同于自然变化;在坡脚水热效应与渗流效应的共同作用下人为上限变化显著,较无坡脚水工况,路基中轴、路肩、坡脚处的人为上限极限深度分别有超过5%,8%,33%的增长;由于坡脚水的存在,路基坡脚处季节性冻融活动层的融化阶段提前,但开始冻结的时间变化不大。     

青藏铁路多年冻土区站场路基温度场试验研究

站场路基的宽度为单线普通路基宽度的两倍 ,结合青藏铁路试验工程观测的数据 ,分析了冻土区站场路基地温场以及多年冻土人为上限的特征 ,探讨了路基的冻结和融化过程的规律 ,阐述了多年冻土区路基的稳定性问题。     

高速铁路路基温度场及保温措施数值模拟研究

以张呼铁路低填浅挖路基为背景,结合现场地温监测数据及地质资料,运用ABAQUS有限元软件,模拟不同工况下XPS保温板的路基温度场分布规律。结果表明:路基温度场呈不对称层状分布,路基两侧温度等值线略低于路基中心;保温板厚度变化对路基中心下部土体冻深影响程度最大,从路基中心到两侧逐渐减弱;随着路基两侧保温板铺设长度的增加,路基两侧下部土体冻深逐渐减小,但对路基中心附近土体的冻深影响甚微。确定了低填浅挖路基保温板最优铺设厚度为10 cm,最佳铺设长度为21. 4 m。     

深季节冻土区哈齐客专路基现场试验

鉴于哈尔滨—齐齐哈尔(哈齐)客专路基工后沉降不大于15 mm的要求,开展了路基现场试验。对路基中的温度、沉降变形、路基冻胀变形及路基本体的含水量变化情况进行监测。结果表明:线路所处地区,11月中旬开始冻结,来年1月下旬地表附近地温过程线开始上抬;冻结层直到4月中旬才全部处于正温,最大冻深约为2.4 m。经过现场监测,处于深季节冻土区的高铁路基在经历冻融循环后的沉降变形为20 mm左右。路基表面的最大冻胀量发生在地表温度处于-1~-2℃之间,在此地温值下,路基冻结层范围内易发生水分积聚现象,路堤冻胀较敏感,所以路基填料应严格保持为最优含水量,做好基床表层的防排水措施,避免路基病害的发生。     

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。