利用热棒阵对多年冻土区桥墩进行主动热防护研究

为解决青藏铁路沿线多年冻土区各大桥的桥梁桥墩沉降问题,以K1401特大桥桥墩为研究治理对象,设计出一种主动热防护的热棒阵治理方法。热棒阵设计思想是利用外侧热棒使土体冻结形成冰幕,保护和维持内侧热棒冻结区的稳定发展,降低桥墩桩基附近多年冻土温度,使桩基承载力增强,保护桥墩长期热稳定性。在典型桥墩周围内外侧平行布置热棒阵,热棒埋深依据初始冻土上下限决定,且埋设间距不超过2 m。开展了现场监测,用2个冻融循环周期的监测数据分析地温和沉降变形时空效应,研究热棒阵主动热防护方法的降温效能和治理效果。结果表明：桥墩外侧热棒水平方向3 m范围内降温明显,经过两个冬季后热棒周边3 m范围内平均降温幅度为1.1℃;竖直方向上随深度增加,降温幅度有所减小,冻土上限至埋深15 m范围内平均降幅超过0.4℃;整治前桥墩每年沉降量超过10 mm,布置热棒阵后年沉降量小于3 mm,热棒阵整治后沉降变形得到有效控制。本研究可为寒区同类桥梁桩基融沉病害整治提供借鉴。     

高原冻土区桩基施工温度场研究

结合青藏铁路沿线多年冻土的主要特点,利用Ansys5.6大型有限元计算程序,对青藏铁路冻土区桥梁混凝土灌注桩基施工过程的地温场进行了模拟计算,分析了高原冻土区桥梁桩基在施工过程中地温场的变化规律,并据此对冻土桩基施工过程中的有关问题进行讨论,所得成果可供相应工程借鉴。     

未冻土和高温冻土中桩基承载性能试验研究

以青藏铁路清水河特大桥旱桥桩基为原型,针对围土未冻结、均匀高温冻土中的桩基稳定问题,进行了室内物理模拟试验。研究了未冻土和高温冻土两种条件下桩基承载力的特性,试验得到了高温冻土中的桩基承载力是未冻土中11.6倍的结论,为青藏铁路工程的长期安全稳定评价与预防措施的制定提供了一定的参考依据。     

青藏铁路建设环境的"三大难题"

青藏铁路是世界上第一条跨越高原多年冻土区的铁路,工程建设环境面临多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱的“三大难题”,比国内外其他多年冻土工程建设更艰巨和困难。由于青藏铁路建设环境的特殊性与复杂性,设计和建设中采取了多种保护冻土的有效措施、高原劳动卫生和劳动保护措施及生态环境保护措施及污染防治措施,各项措施在青藏铁路的建设和运营中显示出了良好的效果。     

青藏高原多年冻土地区桥梁设计

针对青藏高原多年冻土的特点,提出了青藏铁路多年冻土区桥梁设计主要原则, 并对不同的基础类型在冻土区适应情况进行分析,提出了适应高原冻土性质的基础应用,最后对钻孔灌注桩的承载力,切向冻胀力和基础沉降量的计算进行介绍.     

气候变化背景下青藏铁路沿线多年冻土变化特征研究

多年冻土是复杂地气系统的产物, 以升温为特征的气候变化不可避免地对其产生影响. 基于青藏铁路沿线8个天然场地2006-2011年的地温监测资料, 分析了气候变化背景下, 多年冻土升温特征及上限变化规律, 并对低、高温冻土的变化特征进行了对比分析. 结果表明: 2006-2011年监测期间, 铁路沿线多年冻土正在经历明显的升温趋势, 上限附近和15 m深处平均升温率分别为0.015 ℃·a^-1和0.018 ℃·a^-1, 其中, 低温冻土区在上述两个深度处升温均比高温冻土区显著; 多年冻土上限深度也表现出一定的增深趋势, 平均增深速率为4.7 cm·a^-1, 其中, 高温冻土区增深速率大于低温冻土区. 低、高温冻土对气候变化的响应表现出了较大差异. 同时, 受局地因素的影响, 不同区域在升温和上限增深上也存在一定差异.     

青藏高原多年冻土地区桥梁设计

针对青藏高原多年冻土的特点，提出了青藏铁路多年冻土区桥梁设计主要原则，并对不同的基础类型在冻土区适应情况进行分析，提出了适应高原冻土性质的基础应用，最后对钻孔灌注桩的承载力，切向冻胀力和基础沉降量的计算进行介绍。     

青藏铁路路基下融化夹层特征及其对路基沉降变形的影响

基于青藏铁路多年冻土区路基地温与变形现场监测资料, 研究了青藏铁路路基下融化夹层特征及其对路基沉降变形的影响. 结果表明:在已有监测场地中, 青藏铁路沿线天然场地融化夹层发育较少, 而路基下融化夹层发育较多. 低温冻土区路基下融化夹层能够逐渐完全回冻使其消失, 高温冻土区大部分路基下融化夹层有进一步发展的趋势. 当融化夹层下部为高含冰量冻土时, 融化夹层与路基沉降变形关系密切, 路基易产生较大的沉降变形; 当融化夹层下部为低含冰量冻土时, 路基沉降变形较小.     

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.     

青藏铁路多年冻土工程地质综合分类探讨

根据影响青藏高原多年冻土工程特性的地温分区和冻土类型, 提出了冻土工程地质综合分类方法. 结合青藏铁路多年冻土区工程设计和施工情况的实践, 对铁路建设中如何应对全球气温变暖下冻土区工程安全提出了工程措施.     

青藏铁路多年冻土工程地质综合分类探讨

根据影响青藏高原多年冻土工程特性的地温分区和冻土类型，提出了冻土工程地质综合分类方法，结合青藏铁路多年冻土区工程设计和施工情况的实践，对铁路建设中如何应对全球气温变暖下冻土区工程安全提出了工程措施。     

影响青藏铁路冻土区主要工程措施可靠性的气温变化指标分析

多年冻土是气候条件控制的特殊地质体,气温升高和降水条件变化将对青藏铁路沿线的多年冻土产生深刻影响.从全球气温变化背景和青藏高原气候变化的实际情况出发,分析和论述了气候变化对青藏铁路沿线多年冻土地温特征及冻土区工程建筑物的可靠性产生缓慢而持续影响的气温变化指标.通过对冻土区工程设计原则和工程结构、工程措施可靠性产生重大影响的气温变化特征的分析,提出对目前冻土工程可靠性的看法,并提出应对工程措施.     

青藏铁路多年冻土工程的研究与实践

青藏铁路建设需穿越高原多年冻土区, 在探明沿线多年冻土分布特征的基础上, 合理确定了青藏铁路线路的走向方案.在多年的冻土研究和工程实践的指导下, 有针对性地开展了 5 个不同类型冻土工程试验研究, 取得重要科研成果, 指导设计和施工.全面总结4 a来青藏铁路多年冻土工程的研究与实践, 提出了“主动降温, 冷却地基, 保护冻土”的设计思想, 制定了路基、桥涵、隧道成套工程技术措施和先进施工工艺, 对确保多年冻土工程质量发挥了重要作用.     

青藏铁路多年冻土区工程复杂性分析

青藏铁路穿越550km多年冻土区,多年冻土地温、冻土类型以及沿线生态环境等存在较大的差异,使多年冻土区工程较为复杂。因此本文提出了冻土工程复杂性概念,建立冻土工程复杂性评价模型,并利用GIS平台对青藏铁路沿线唐古拉山越岭地段工程复杂性进行了分析和研究。研究结果表明,青藏铁路穿越的唐古拉山越岭地段工程复杂性相对较小,而青藏公路的工程复杂性相对较大。这表明了青藏公路沿线冻土工程比青藏铁路沿线更为复杂,在各种因素的影响下,青藏公路路基稳定性变化比青藏铁路更加复杂。     

青藏铁路旱桥的三维温度特性分析

根据带相变瞬态温度场问题的热量平衡控制微分方程, 应用有限元法对青藏铁路旱桥的温度特性进行了三维数值分析.结果表明: 修建于高温极不稳定冻土地段的旱桥在将来运行20 a的过程中对冻土有很好的制冷作用, 能很好地保护冻土, 保证铁路的运行安全, 并且分析和说明了在建的青藏铁路在高温极不稳定冻土地段的采用旱桥的形式是可行的和必要的.     

青藏高原气候转暖与冻土工程的关系

工程作用和气候转暖影响加剧了工程下部多年冻土的退化,导致冻土工程稳定性发生显著变化。本文从气候转暖和工程活动下多年冻土变化和冻融灾害的视角探讨了气候转暖与工程稳定性的关系,给出了青藏高原气候转暖下活动层厚度、冻土温度等变化和青藏公路和青藏铁路工程下部多年冻土上限、冻土温度和路基变形等特征。同时,系统梳理了青藏高原冻土工程防治冻土融化的工程技术措施,讨论了未来气候变暖下青藏高原多年冻土的变化特征及其对冻土工程服役性的影响。青藏高原多年冻土在过去数十年来发生了不同程度的退化,工程作用加速了工程下部多年冻土退化,严重影响工程稳定性。青藏铁路采取了冷却路基、降低多年冻土温度的技术措施,但冻土工程仅能适应气候变暖1 ℃的情况。未来气候变暖1.5 ℃,青藏铁路冻土工程的补强措施需尽早谋划。     

青藏铁路沿线天然场地多年冻土变化

基于青藏铁路沿线30个天然场地2006—2015年地温观测资料,对多年冻土天然上限(以下称冻土上限)及其变化、不同深度冻土地温及其变化进行分析,研究了近期多年冻土时空变化特征。观测结果表明,冻土上限为0.88~9.14 m,平均为3.54 m。在冻土上限下降的场地中,冻土上限下降幅度为0.05~2.22 m,平均为0.51 m;冻土上限下降速率为0.01~0.25 m/a,平均为0.07 m/a。高温冻土区冻土上限下降幅度与下降速率分别大于低温冻土区的0.47 m与0.06 m/a。总体而言,冻土上限附近和15 m深度地温呈上升趋势。其中,冻土上限附近地温升温幅度为0.01~0.60℃,平均为0.16℃;冻土上限附近地温升温速率为0.001~0.067℃/a,平均为0.018℃/a。低温冻土区上限附近地温升温幅度与升温速率分别大于高温冻土区0.12℃和0.014℃/a。15 m深度地温升温幅度为0.01~0.48℃,平均为0.10℃,15 m深度地温升温速率为0.002~0.054℃/a,平均为0.011℃/a。低温冻土区15 m深度地温升温幅度和升温速率分别大于高温冻土区0.11℃和0.012℃/a。个别观测场地受局地因素影响,出现了冻土上限抬升和冻土地温下降的情形。     

青藏铁路路桥过渡段沉降变形影响因素分析

青藏铁路于2006年7月1日建成通车,已运行5年。总体上铁路路基是稳定的,但由于铁路建设在以高温高含冰量为特征的多年冻土之上,冻土的微小变化会诱发路基病害的发生,其中路桥过渡段沉降变形是比较典型,也是最为普遍的一类路基病害。通过对青藏铁路西大滩至尺曲谷地164座桥梁路桥过渡段沉降病害调查及相关因素分析。过渡段路基沉降与桥走向的南北端、路基坡向、路基高度、多年冻土类型（含冰量）、地温、路基结构以及地质条件等因素相关。桥北端平均沉降量大于南端,阳坡大于阴坡;沉降量随着路基高度呈对数趋势增加;富冰、饱冰等高含冰量冻土区沉降明显高于多冰、少冰地段,高温多年冻土区沉降量高于低温多年冻土区;路基结构对过渡段沉降也有一定的响应性,表现为特殊结构路基沉降较小;粉土、粉质黏土等细颗粒地层段沉降量比砾石土等其他岩性地段大。通过相关性分析表明,过渡段路基沉降与坡向相关系数最大,为0.234,其次为与路基填土高度,为0.213,与桥南北端、路基结构、冻土含冰量也呈正相关关系;与地温的负相关性比较显著,为-0.210,其次与地质条件呈现出负相关性     

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。     

通风管、抛碎石和保温材料保护冻土路堤的工程效果分析

根据青藏铁路北麓河试验段2年以来的气温降温期的现场监测资料,对多年冻土区保护冻土路堤的3种典型结构型式的试验段（通风管路堤、抛碎石护坡路堤和保温材料路堤）各断面的地温规律进行了分析和积温计算。试验段初步计算结果表明,3种路基结构型式对于保护多年冻土区路堤均能起到一定的作用,为青藏铁路在多年冻土区保护冻土路堤的设计和施工提供了一定的理论依据。