多年冻土地区构筑物沉降变形分析

根据现场观测和数值分析,将多年冻土地区构筑物的沉降变形归结为几个具有不同机制的物理力学过程共同作用所致。伴随着冻土上限下降所产生的融沉,由于构筑物的修建引起多年冻土层升温而产生的高温冻土的蠕变和活动层的未冻土在暖季发生的蠕变,以及由于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。基于青藏公路和青藏铁路的修建和维护的实践,分析了以上几个可能引起沉降的原因。     

青藏高原多年冻土地区公路路基变形

通过对现场实体工程的长期监测资料和路基破坏机理分析研究,使我们对沥青路面对多年冻土的严重影响,导致多年冻土的升温与退化,使路基产生较严重的不均匀下沉变形,及其它所引起的一系列路基病害问题的发生发展过程有了较为系统和深刻认识,取得了大量现场实测资料及研究成果.讨论了高温多年冻土地区冻土路基的变形特征,以及冻土路基变形与工程地质条件的关系,给出了路基随地温波动变化而发生的变形过程。     

深上限-退化型多年冻土路基变形特征分析

为了研究深上限-退化型多年冻土路基变形特点,基于青藏公路多年冻土路基地温和沉降现场监测资料,通过分析西大滩、唐古拉山北坡以及唐古拉山南坡路段的土质、冻土含冰量、冻土地温以及路基沉降变形数据,对冻土上限变化过程与路基沉降特点进行了研究,同时对沱沱河和清水河地区冻土路基分层沉降观测结果进行了分析。结果表明,土质和含冰量对退化型冻土路基的沉降变形影响较大,深冻土层的融化对路基沉降变形影响较小,退化型冻土路基的沉降变形主要发生在退化后的冻土层中,退化冻土层在冻融循环过程中,需要较长时间才能完成固结。对于冻土含冰量为少冰、多冰的稳定路段,退化冻土路基年平均沉降速度约为3.9～5.6 mm/a,路基沉降量极小;对于含冰量较高且土质以粉黏性颗粒为主的不稳定路段,路基沉降速度具有持续性和无减缓性的特点,路基年平均沉降量达到0.03 m/a,路基变形表现为整体均匀沉降,横向差异沉降量较小。     

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。     

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.     

多年冻土斜坡路基失稳变形影响因素及特征研究

从力学相似性的角度进行多年冻土斜坡路基失稳变形离心模型试验,分析最大融深状态下冻土斜坡路基土层性质、高度以及地基坡度对其稳定性的影响规律,研究冻土斜坡路基失稳变形特性、失稳机制及模式,将片石路基与普通路基进行对比分析。试验结果表明,冻土斜坡路基土层力学性质、路基高度和地基坡度对其稳定具有显著影响,路基的变形在冻融交界面发生骤变,变形主要集中在冻融交界面之上的土层;在本试验条件下,多年冻土斜坡路基合理高度约为5 m;当斜坡路基高度为5 m时,地基坡度大于1: 6,路基横向变形迅速增大;冻土斜坡路基的沉降和横向变形表现出较大的不均匀性,冻土斜坡路基变形失稳的根本原因是冻融交界附近软弱带的抗剪强度不足,阳坡冻融交界面之上的土层沿软弱带滑移破坏;路基破坏可分为浅层开裂破坏、深层开裂破坏和整体滑移破坏3种;冻土斜坡片石路基的水平位移和沉降明显小于普通路基,片石路基具有较好的整体稳定性。     

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。     

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。     

冻土的力学性质及研究现状

中国具有广大的季节冻土和多年冻土区,在冻土地区进行工程建设,就必须深入研究冻土的力学特性,以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性。本文首先,简要介绍了我国冻土的分布状况和冻土区别于融土的基本特性,广义的冻土力学可分为冻融作用和已冻土力学性质两方面,冻胀、融沉和冻融循环引起的土力学性质的变化属于冻融作用的范畴。对于冻胀的研究较为深入,人们先后提出了多个理论来解释冻胀产生的机制,有的应用于计算分析中。对融沉的研究尽管具有较长的历史,但是多数停留在经验方法上,融化固结理论目前还有较大的局限性,因此提出一方面可以用人工神经网络法提高经验方法的精度和适用范围,另一方面应当发展融化固结大变形理论;冻融循环可以改变土的力学性质,介绍了作者的最近研究进展。针对已冻土的力学特性,从3方面进行了分析。冻土的强度主要沿用融土的强度理论,很难反映高应力下的压融现象;冻土动力学特性主要针对温度对动力学参数的影响,近年来冻土层对场地动力响应的影响越来越受到重视;冻土的本构关系多集中在蠕变研究,以经验公式法为主。最后,分析了多年冻土地区工程变形所涉及的物理力学过程。     

Study on the Reasonable Height of Embankment in Qinghai–Tibet Highway

A reasonable height of embankment is beneficial for maintaining the thermal and mechanical stability of highway in cold regions. This paper firstly introduced theoretical models for two main sources of settlement, including an improved consolidation theory for thawing permafrost and a simple rheological element based creep model for warm frozen soils. A modified numerical method for living calculating thaw consolidation and creep in corresponding domains and for post-processing the proportion of each source in total settlement based on the effective thaw consolidation time. Two typical geological sections underlain by warm permafrost layer were selected from the Qinghai–Tibet highway. The heat transfer and continuing settlement for two sections were modeled by assuming that the height of embankment ranges from 0 to 6.0 m. The reasonable critical height for two sections are 1.63 and 1.35 m, respectively, by comparing maximum thawing depth, mean annual temperature and settlement in the roadbed center. For two sections with design height of embankment, the proportions of thaw consolidation and creep to the total settlement were analyzed. For sections at higher ground temperature, thaw consolidation accounts for a major part while thaw consolidation of section L is a little larger than that of creep.     

高温冻土区填土路基融化固结变形分析

基于修正拉格朗日（U.L）描述下的大变形固结理论和考虑相变作用的温度场得到大变形融化固结理论,对不同路堤高度下填土路基温度场和融沉变形进行研究. 结果表明：高温冻土区合理高度的路堤在5~10 a内使冻土上限略微抬升,但冻土有明显升温. 冻土上限在未来的5~10 a后会急剧下降,且路堤高度越小,下降量越大. 与小变形融化固结理论相比,大变形融化固结理论预测高含量冻土融沉变形的精度更高. 融沉量与路堤高度成正比,且随着时间的增长,融沉变形呈阶梯型发展,路堤越高,阶梯现象越显著. 定义融沉量与路堤高度之比为沉降比,研究发现路堤越低,其沉降比越大,且随时间线性增长. 沉降比是冻土融深增量的单值函数,与路堤高度无关,通过沉降比函数可以快速而实用的求出融沉变形量.     

The effect of permafrost changes on embankment stability along the Qinghai–Xizang Railway

After construction of the Qinghai–Xizang Railway, the resultant heat exchange between soil and atmosphere caused changes in the thermal and mechanical stability of permafrost beneath the railway embankment. Monitoring from 2005 to 2010 indicated 12 sections of embankment that experienced more than 5 cm of settlement, with three showing deformations of more than 10 cm and signs of continuing settlement. Embankment stability is closely related to permafrost changes beneath the embankment. Large-scale deformations have contributed to permafrost thaw and artificial permafrost table deepening, and this deformation has not stabilized over the short term. In contrast, small-scale deformations have contributed to a warming of the permafrost that has gradually stabilized as soil temperature decreases. Only three sections of the Qinghai–Xizang Railway have exhibited settlement deformation that exceeds 10 cm, through a deepening of the artificial permafrost table and a gradual increase in permafrost thawing result in embankment settlement deformation. However, with climate warming trends and the long-term operation of the railway, the long-term thermal and mechanical stability of the embankment needs to be carefully monitored to ensure the safe operation of the Qinghai–Xizang Railway.     

多年冻土区路基路面变形及应力的数值分析

针对青藏公路路基下发育多年冻土融化盘的实际情况,选择两种模型,应用ABAQUS有限元分析软件,对冻土路基从修筑到开放交通过程中的路基路面位移及应力进行了分析.结果表明:冻土路基以融沉为主的变形,一般情况下以路中心下最大,变形呈凹形;当路基下融化盘偏移时,最大变形位置随之偏移;路面层底拉应力最大,对融沉变形反映敏感;路面顶部压应力最大值出现在轴载作用位置,面层应力对轴载反映敏感.计算模型断面尺寸、路基填料、路面结构等对青藏公路具有代表性,在3.6 m路基总高度条件下,无论路基下融化盘偏移与否,融化盘厚达0.5 m时路基顶部(路面层底)拉应力即达基层抗拉强度,显示路基融沉变形可能导致路基失稳及路面破坏,此时路基高度即达最大值.     

BP神经网络在冻土路基变形预测中的应用

在青藏铁路冻土路基现场实测资料的基础上，用改进的BP神经网络建立起了路基变形与地温、路基高度和上限之间的非线性映射。对某一典型路基第30年的变形进行了预测，结果显示路基的累计融沉量在冻胀量的两倍以上。从绘制的路基变形过程曲线可以很清晰地看出路基一年中的变形趋势和冻胀融沉区间。在4月份以后，路基的变形由冻胀向融沉转变，变形与地温有很好的正比关系，但是当地温升高到一定值时，路基的融沉量便不再随着地温的升高而增大。路基的冻胀与地温的关系也有相似的规律，说明地温对路基变形的影响存在一个比较明显的区间，在这个区间范围内的温度对路基变形的影响较大，这为控制路基的病害提供了一个比较有价值的信息。     

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。     

青藏铁路冻土路基沉降变形现场试验研究

Based on the field data of ground temperature and roadway settlement observed during the construction of the experimental embankments over permafrost along the Qinghai-Tibetan Railway, this paper discusses the differences of frost process on the roadway surface from that on the natural ground surface, the changes of permafrost table under the roadway embankment, and the peculiarities of roadway settlement. Analyses of the test results show : 1) The differences of the freezing indexes between the roadway surfaces and the natural ground surfaces are less than those of the thawing indexes for all the test sections; 2) Since the measures of permafrost protection were taken, the permafrost tables under the embankments have raised after the roadway was constructed. The minimum is about 0.4 m and the maximum is 1.2 m; 3) the settlements of the roadway are mainly from the compression and creep of the icerich frozen soils under the original permafrost tables and the maximum has reached 6 ～ 8 cm during the first year after the embankments were constructed. Moreover, concerning the processes of roadway settlement, the deformation of the embankments has no obvious trend of attenuation at present. Especially,for the roadway with high embankments, the settlement may reach a remarkable value and much consideration must be given for this problem.     

高含冰量冻土路基融化固结规律研究

为了研究高含冰量冻土路基的融化固结规律，在线性大变形融化固结理论的基础上引入非线性本构关系，并运用分段插值法实现了孔隙比与压缩模量之间的非线性关系，完善了三维大变形融化固结数值模拟方法。在此基础上结合青藏公路实测数据验证了其合理性。研究结果表明，采用非线性应力?应变关系的大变形融化固结理论能够显著提高高含冰量冻土路基的沉降计算精度，并能够进一步合理描述热学场和力学场的相互叠加影响。冻土融化固结度受有效融化固结时间以及特征排水长度等因素的影响呈现出完全不同于融土路基的发展规律，即在路基运营初期其融化固结度上升，随着时间发展，其固结度在达到峰值后持续降低，这主要是由于融化深度持续增大后所引起的特征排水长度的增加和有效融化固结时间的缩短所造成的。因此，在计算高含冰量冻土路基稳定性设计指标时，应采用非线性应力?应变关系来进一步提高融化深度、沉降以及固结度等指标的计算精度。     

青藏高原清水河多年冻土区铁路路基沉降变形特征研究

通过埋设在青藏铁路路基中两个断面内的6条沉降观测管3 a来的地基沉降变形资料,研究了高原多年冻土区铁路路基的沉降变形特征,分析了填筑铁路路基对下伏多年冻土融化变形的影响。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上限在施工初期会有一个明显的下移沉降,铁路路基也随之有一个较大幅度的工后下沉变动,随着时间的推移,路基下降速率会逐渐下降,但在短时间内不会停止下来,而且由于太阳辐射和路基边坡形状的影响,路基向阳面与背阴面的变形有较大的差别,且在近南北向展布的路基上表现最为明显。