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。     

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。     

青藏铁路清水河地区路基下伏多年冻土地温变化特征研究

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。     

青藏铁路楚玛尔河地区复合路基地温状况分析

青藏铁路楚玛尔河地区广泛应用了片石气冷及碎石护坡复合路基结构,根据该地区复合路基与一般路基实测地温资料,对比分析了复合路基与一般路基的地温状况,研究2种路基结构保护多年冻土的效果。结果表明:(1)一般路基地温场整体向不利于冻土路基稳定的趋势发展,难以起到全面保护多年冻土的作用;(2)复合路基在降低地温和维护地温场对称性方面都具有显著效果,能主动冷却冻土路基,很好地保护多年冻土。     

青藏铁路高含冰量冻土地段路基设计

针对青藏铁路多年冻土分布特征及路基工程的特殊性问题,详细论述了高含冰量冻土地段路基设计原则,各种不同综合地质条件下采取的工程结构、处理措施。实践证明,青藏铁路多年冻土地区路基工程沉降变形稳定可控,多年冻土路基片石气冷、碎石护坡、热管、排水、以桥代路等多年冻土路基工程成套工程技术措施安全可靠。     

多年冻土地区路基冻害分析及防治措施

分析多年冻土地区铁路路基冻害的主要类型及其形成的主要原因,介绍了多年冻土的地温分区和冻土分类及多年冻土地区路基设计原则及应用范围,提出了多年冻土地区铁路路基病害综合防治措施。     

结合土工格栅地基处理措施的冻土沼泽化湿地的地温场试验分析

在多年冻土区修建铁路,打破了原来天然地表与外界的热力平衡,导致地下温度场重新分布。通过对青藏铁路安多试验段实测数据分析,论讨了在冻土沼泽化湿地采用土工格栅加渗水土地基处理措施以后的路基地温特性,以及冻土上限的变化趋势。     

青藏铁路片石层表面开放与封闭的片石气冷-碎石护坡组合路基降温效果试验研究

为了维持多年冻土区路基的稳定,青藏铁路部分路段采用片石气冷—碎石护坡组合路基主动保护多年冻土。为考察片石气冷—碎石护坡组合路基片石层表面被风沙和积雪等封闭后,其降温效果是否失效,基于青藏铁路清水河地区片石气冷—碎石护坡组合路基2个测试断面、2个冻融循环的地温监测资料,研究片石层表面开放与封闭对片石气冷—碎石护坡组合路基降温效果的影响。结果表明：片石层表面封闭的片石气冷—碎石护坡组合路基及其基底平均地温比片石层表面开放的片石气冷—碎石护坡组合路基低0.16-0.23℃,负积温值封闭比开放大115.32℃.天,最大融化深度抬升幅度封闭比开放大0-0.4 m。说明片石层表面封闭的片石气冷—碎石护坡组合路基较开放的更有利于保护多年冻土,维持路基稳定;当片石气冷—碎石护坡组合路基片石层表面被风沙等封闭后仍具有良好的降温效果。     

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。     

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。     

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。     

青藏铁路开放边界块碎石类路基速度场和温度场特征非线性分析

针对青藏高原多风的特点及其气温和地质条件,在考虑全球变暖的条件下,研究青藏铁路开放块碎石夹层路基和开放块碎石护坡路基的速度场及其在未来50年的温度场变化特征。结果表明,在外界风的作用下,两种块碎石路基的道砟层和块碎石层内的对流换热方式以强迫对流为主;在年平均气温为-4.0℃,考虑未来50年青藏高原气温升高2.2℃条件下,这两种路基结构均能不同程度地抵消气候变暖和铁路建设所带来的负面影响,对其下部多年冻土起积极保护作用,但开放块碎石夹层路基的降温效果好于开放块碎石护坡路基,而且还发现在铁路运营50年后开放块碎石护坡路基内部将出现终年融化夹层,这一问题应引起设计与施工部门的重视,以采取相应的措施来维护这种冻土路基的多年稳定。     

多年冻土区铁路运营初期路基工程状态研究

研究目的:由于温度和水分的介入以及运营条件的诱发,使运营期间冻土路基工程状态的研究变得更为复杂。通过对运营初期多年冻土路基工程状态的现场调查和监测,从路基变形、地温变化、水热环境三个方面研究运营初期多年冻土区路基的工程状态,提出路基裂缝病害的解决措施,为铁路安全运营和养护工作服务。研究结论:(1)多年冻土区路基工程在运营初期,路基变形总体呈衰减趋势,已经趋于稳定。(2)路基大多数断面多年冻土上限上升和上限形态趋于稳定,地基冷储量增加,多年冻土上限上升是在降低土体温度的基础上实现的。(3)路基工程状态变化首先是地温场的变化改变了发生变形的土层位置和厚度,同时地温场的不对称造成变形差异,诱发裂缝发生,水热环境的变化导致裂缝发展。(4)采用热学不对称的路基结构,能减缓上限形态的不对称性,从而减小路基横向差异变形,抑制路基工程裂缝的发生和发展。     

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。     

青藏铁路多年冻土路基现状及分析

青藏铁路开通运营16年后，多年冻土路基情况整体良好，仅部分路段存在路基沉降变形、排水不良、路基开裂等病害；主要采用土护道、片石护坡、热棒、排水盲沟等综合补强措施，大部分地区整治效果良好。通过分析，多年冻土路基病害产生的根本原因是多年冻土场变化及水热防护不足，而现有补强措施大多遵循主动降温、冷却地基、保护冻土的原则，忽略了水热侵蚀对多年冻土的影响，因此还需增加水热防护措施；对于常见多年冻土路基病害且成因清晰的地段仍可采用现有措施进行补强，而对于病害反复发生地段需重新勘察后再制定整治方案。此外，考虑气温升高对多年冻土的影响，还需开展更高升温条件下现有补强措施的有效性及新型补强措施的研究。     

多年冻土区路基的结构设计分析

研究目的:本文从分析冻土区路基表层的冻胀特征和底层的融沉特征入手,提出路基结构设计中冻土区路基表层的防冻胀措施以及低含冰量冻土和高含冰量冻土路基的防热融措施。研究结论:认为按地质和地温条件处理冻土,保持多年冻土上限不下降后,路基结构按“封闭系统”冻结条件进行设计,表层冻融层内用不冻胀的粗粒料填筑,其它部分按常规路基设计,即可满足多年冻土区路基结构功能的要求。     

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。     

高原融区和多年冻土过渡路段涵洞地基试验研究

运用现场测试方法,对青藏铁路两座拼装式涵洞的基础变形、地基土地温及洞口气温的测试结果进行分析,研究多年冻土区涵洞工程对冻土地温状况、冻融过程、冻土上限变化的影响以及涵洞基础的冻融变形特征。结果表明:多年冻土地区修建涵洞工程后,气温对地温的影响增大,致使涵洞下原多年冻土上限附近地温波动明显,地温年变化深度增大;由于场地冻土条件及地温场沿涵身的变化,涵洞基础变形沿涵身表现出明显的不均匀性。     

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。