青藏铁路冻土区路桥过渡段沉降原因分析

青藏铁路开通近10 a以来,各类冻土工程稳定,保证了列车平稳安全的运行。然而,青藏铁路工程也不可避免出现了一些病害问题。现场调查资料表明,冻土区路桥过渡段下沉现象较为严重。通过冻土区路桥过渡段的沉降特点和工程地质条件综合分析,结果表明：地表水或冻结层上水水热侵蚀,引起人为多年冻土上限下降、高含冰量冻土层融化,致使路基发生强烈的融化下沉。建议这类工程病害应采取主动降温措施增强地基土的冻结能力,并加强防排水设施和改善地表水条件,消除水热侵蚀所产生的融化下沉。研究结果为青藏铁路路桥过渡段的稳定性和养护提供了科学依据。     

冻结层上水的分布及工程影响研究现状与展望

作为一种多年冻土区的特殊水文地质现象,冻结层上水（或多年冻土层上水）的分布受局地因素的控制,且随活动层的季节性冻融而变化,影响地表水和地下水循环以及多年冻土环境中的水热平衡。多年冻土将冻结层上水限制在一个狭窄的空间内,在暖季冻结层上水侧向和竖向的渗流传热将加剧多年冻土的退化,也会对上覆工程构筑物的稳定运营造成极大威胁。目前关于冻结层上水的研究主要集中在分布特征、变化规律、流量计算、渗流模拟、水热耦合等方面。研究发现：在全球升温背景下,多年冻土退化速率加剧,随着冻土厚度变薄和融区出现,冻结层上水的流量及其与地下水的交换量均发生变化,除了影响局地水文特征外,还与工程病害密切相关,如坡脚积水、路基沉降以及路面裂缝等。以区域分布特征为出发点,对冻结层上水的研究现状进行了归纳和总结,并对其工程影响有关的渗流传热理论研究成果进行了梳理,对今后需要进行深入研究的方向进行了展望。这有助于全面理解冻结层上水在冻土区水文过程中的功能,为相关研究提供了进一步的理论参考。     

高海拔多年冻土区路基工程行为对低温多年冻土长期影响的监测研究

青藏铁路路基创造性采用了主动冷却路基的设计理念修建而成,目前铁路已经安全运营超过10年。青藏铁路路基修筑在多年冻土之上,路基下部冻土温度变化是衡量路基是否稳定的关键因素。基于长期（2008—2019年）地温观测资料,对昆仑山垭口南坡青藏铁路K980+000低温多年冻土区块石路基坡脚至坡脚外30 m范围内的冻土上限变化、年际地温变化、季节性地温变化进行分析,研究了路基工程行为对低温多年冻土的长期影响机制。结果表明：冻土地温不断升高,冻土上限逐年下移;与天然孔比较,路基坡脚处地温增温幅度反而较小,主要可能受块石路基冷却效应的影响;冷季与暖季呈现出不对称的增温趋势。冻土路基普遍增温的趋势仍然存在,出于对多年冻土的保护与保证工程稳定性的考虑,应尽量采用冷却路基的思想修建路基。同时,应加强对路基的监测,分析长期增温过程后路基稳定性变化,并对路基下部冻土的变化做出定量研究。     

多年冻土地区路基变形场和应力场的数值分析

为了研究冻土的冻胀特性对公路路基稳定性的影响,建立了冻土路基变形场及应力场的二维数值计算模型,并应用有限元法求解路基土体冻结时变形场和应力场的分布规律.分析了土基范围内冻胀带对路基应力场和变形场的作用,并计算了不同冻胀带范围对路基顶面变形场和应力场的影响.结果表明:冻胀带的存在是引起路基病害的直接原因,不同冻胀带范围将引起路基产生不同类型及不同规模的破坏,位于路面以下的冻胀带属于敏感冻胀带范围.     

青藏铁路冻土区土体冷生过程对路基变形影响

一般地区路基土体变形主要受土体压密过程控制,青藏铁路冻土路基变形则主要是受土体冷生过程影响和控制。通过对填土路基修筑后土体冷生过程以及工程实测数据分析,指出冻融过程不同阶段冻土路基变形与土体冷生过程有着密切关系。认为控制填土路基冷生过程稳定时间和填土路基地温场形态,是减少冷生过程和铁路长期运营过程中路基变形、保证冻土区路基工程长期稳定性的有效途径。此认识已经在青藏铁路冻土区路基工程建设实践中得到证明。     

黄河源区冻结层上水地质环境影响研究

黄河源区地处青藏高原中南部，海拔高度在4100m以上，属中纬度高山多年冻土带，该冻土带内形成了一种特殊的冻结水环境。多年冻土通过季节融化带与大气系统、植被系统、地表水系统进行水、热交换，冻结层上水则是交换中的重要纽带。冻结层上水分布在冻土表层，是冻土区主要的潜水含水层之一，其空间分布直接控制着包气带含水量的变化和地表植被类型分带。2000～2001年，作者两次对黄河源区冻结层上水及其地质环境进行了专题研究，结果表明，水文地质结构、地表水位的变化以及过度放牧和开采沙金等人为作用均会对冻结层上水的空间分布产生影响，这些作用不仅影响着冻土类型的转化，而且还会由此引发一系列的生态问题，使原本十分脆弱的生态环境出现恶化。     

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。     

冻土路基动力分析模型及青藏铁路地震灾害评估

在大量试验研究成果的基础上,运用冻土物理学、冻土力学、数值传热学、高等土力学及土动力学等基本理论,建立了冻土区道路及铁道工程路基的水-热-动力耦合数学模型（有效应力法）,并编制了相应的数值分析程序。最后,以青藏铁路某典型断面为例,对冻土铁路路基在地震荷载作用下的动力响应问题进行了系统分析,并评价了路基的地震安全稳定性。结果表明,提出的冻土路基动力分析模型合理,能较好地模拟冻土铁路路基的地震反应问题。另外,当发生设计烈度以下的地震时,青藏铁路路基不会产生严重破坏,经运营管理部门的维修后即可投入正常生产。     

热棒技术在国道214线共和-玉树高速公路宽幅冻土路基中应用的数值模拟研究

高速公路路基幅面宽度的成倍增加,沥青路面的吸热效应更为显著,工程对其下伏多年冻土的热影响更为显著. 热棒、热棒保温板复合结构等传统工程措施能否保护宽幅高速公路下冻土稳定是一个亟待回答的问题. 根据带相变热传导有限元方法,对共和-玉树高速普通路基、热棒路基和热棒保温板复合结构路基在未来全球变暖情形下的地温场特征进行了数值模拟分析. 结果表明：在年平均气温为-3.5℃或地表年平均温度为-1℃的多年冻土地区,普通路基和热棒路基在全球变暖条件下路基下伏冻土都将发生融化,宽幅公路路基将会产生显著融沉变形,不能保证宽幅公路路基20 a使用期内的稳定性. 热棒保温板复式结构显示了较好的冷却路基效果,在第20年路基下多年冻土人为上限高于原天然上限,路基下富冰冻土仍处于冻结状态,可以保证宽幅沥青公路在服务期内的热稳定性.     

多年冻土地区主动冷却地基方法研究

基于已有的或正在进行的研究结果, 提出为应对高温冻土和全球变暖的严峻挑战, 必须改变沿用的消极被动保护冻土的措施, 采用积极主动的保护冻土措施, 即冷却地基的办法, 以确保工程的稳定. 分别从通风管、抛石护坡与碎块石互层通风、热棒(桩)、遮阳棚、热半导体保温材料和人工冻结技术在多年冻土保护中的应用等方面对这些措施的可行性进行了论证, 可以看出, 作为主动的地温调控技术, 这几种措施在不同的范围内均有效果, 都可以有效地抬升多年冻土上限, 保护冻土路基稳定性. 因此, 主动的地温调控技术作为保护冻土路基的措施是一条可行的方法, 可以不同程度的在寒区工程建设中使用.     

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。     

多年冻土地区公路路基纵向裂缝与路基走向关系的探讨

纵向裂缝是在多年冻土地区公路的主要病害之一,严重影响了所在路段的行车安全和正常运营.以前我国多年冻土区公路路基普遍不高,纵向裂缝病害较少且危害较小,公路设计和科研对其关注较少.目前,对纵向裂缝的形成机理与分布规律研究较少,对其发生、发展的机制、过程和影响因素缺乏深入的认识,工程和科研人员对其仍未形成统一的认识,给工程整治措施选择和处治方案制定造成很大困难.热状况是影响和控制多年冻土路基,特别是高温高含冰量冻土路基病害发生的关键因素;太阳辐射是影响多年冻土地区地表热状况的主要因素,公路路基抬高后,路基两侧接受太阳辐射的差异变大,冻土路基表面热状况和太阳辐射对路基病害的发生和发展影响变大.结合青藏公路多年冻土区路段纵向裂缝调查结果,分析了路基纵向裂缝在路基横断面上的分布规律,研究了不同走向路基表面太阳辐射的分布,探讨了多年冻土区公路路基纵向裂缝与路基走向的关系,以及太阳辐射对公路纵向裂缝形成的影响     

多年冻土区路基分层变形现场观测研究

在人类工程活动和气候变暖的双重作用下,多年冻土区的道路路基普遍产生以路基下沉为主的病害．多年冻土地区的路基沉降涉及多个物理力学过程：未冻土的蠕变,冻土上限下降所产生的融沉,由于多年冻土层升温而产生的高温冻土的蠕变,以及活动层中冻融循环改变了土的工程性质而导致的附加沉降变形．为了进一步探索各个物理力学过程对总沉降量贡献,...     

交通荷载作用下冻土路基动力响应分析

季节冻土区路基在交通荷载作用下的冻胀翻浆病害是一个复杂的热、力相互作用过程,又是一个急需解决的实际工程难题.运用传热学及Biot固结理论建立季节冻土区公路路基的动力分析模型,以季节冻土区典型冻胀翻浆路基为例,分析其工程处理前、后的动力反应特性.结果表明:1)路基温度场的研究表明修筑路基后,在路基及其下部地基中将会产生大片的力学性质极不稳定的高温冻土层;2)路基运营期当交通荷载刚驶入或离开路基计算断面时,路基内的加速度、速度、位移、应力、孔隙水压力均振荡剧烈.但与普通路基相比,防冻胀翻浆路基的碎石层大大削弱了汽车动荷载的冲击振动作用;3)防冻胀翻浆路基中间存在透水层(碎石),减小了路基内的孔隙水压力,与普通路基相比,防冻胀翻浆路基的最大孔隙水压力比减小达30%左右,这对延缓、消除路基病害产生有很大作用.计算理论以及分析结果可为季节冻土区道路的安全运营以及维修提供参考依据.     

采控天然冷量过程中青藏铁路路基温度场演变特性研究

针对青藏铁路工程所穿越的高温、富冰多年冻土路基稳定问题, 提出了采控天然冷量, 即在冬季采集并存储地气温差所造成的冷量, 夏季释放, 维护路基稳定的方法. 对典型工程条件下采控天然冷量后路基温度场随时间和空间上的演变规律进行了研究比较, 结果表明: 在不采用附加措施情况下, 直到道路施工完成后的第16年路基内温度场才逐渐进入负温, 因此必须对路基温度场采用人为干预措施. 结果显示, 采控天然冷量方法可以保持青藏铁路路基的稳定.     

青藏公路低温多年冻土温度的多时间尺度分析

利用小波变换分析方法, 对青藏公路风火山监测场地天然状态下和路基中心下15 a的低温多年冻土温度时间序列进行了多时间尺度分析和趋势预测. 结果表明: 天然地表和路基下部多年冻土温度变化具有多时间尺度特征, 二者多时间尺度周期的时频分布特征存在较大差别. 天然地表具有简单的规律性, 路基中心的规律相对较复杂, 主要体现在冻土上限附近. 天然地表下当前均处于暖期, 深层主要受气候长周期波动控制, 使其在进入冷暖期的时间上滞后于上层; 路基中心下浅层和深层的冷暖期相反, 浅层处于暖期, 深层处于冷期, 其长度随热交换量大小和热量积累的变化也不统一, 给路基的稳定性带来了更大的隐患, 但也为控制、减少和治理冻土路基中的病害提供了新依据.     

路基坡脚积水对多年冻土路基稳定性的影响研究进展

多年冻土路基的稳定性很大程度上取决于其下伏多年冻土层的热稳定性. 当融雪、降雨或人为等外界因素形成的路基坡脚积水持续一段时间后,这些积水可能通过入渗对流换热、热边界侵蚀、补给冻胀水分等方式加剧或诱发多年冻土路基热稳定性的下降和丧失. 通过回顾国内外相关文献,从影响多年冻土路基稳定性的因素、积水对路基活动层冻融过程中水分迁移的影响、热融湖塘类积水对冻土路基的热影响、降雨和融雪积水入渗对冻土路基的热影响等方面,归纳总结了坡脚积水对多年冻土路基影响方面的研究进展;在此基础上,提出了对此问题进一步深入的研究展望和探讨.     

多年冻土区路基调查中瞬态面波勘探方法应用研究

多年冻土地区铁路路基的振动与环境变化对路基稳定性的影响问题日益突出,为了评价这种影响引起的青藏铁路多年冻土区冻土的变化状况,首次应用了一种简便、高效、环保的瞬态面波勘探方法对其天然地表和典型结构路基及其下部多年冻土层进行了勘探。试验数据良好、频散特征显著,通过反演分析得到了青藏高原多年冻土地区天然地表和典型结构路基下部土体的剪切波速度剖面和多年冻土的分布。勘探结果表明,青藏铁路北麓河试验段勘探区内多年冻土上限一般为2 m,层厚为20 m左右,多年冻土层Vs平均为600 m/s以上。该结果与该区地质钻探编录和钻孔波速测试结果较为一致,说明瞬态面波勘探在自然环境严峻的青藏高原多年冻土地区有着良好的适用性。