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.     

青藏铁路多年冻土区路基变形特征及其来源

基于青藏铁路多年冻土区34个路基监测断面2005－2011年的变形与地温资料,分析路基的变形特征及其来源。监测结果表明：①监测期累计变形量大于100 mm的断面均为普通路基,其变形主要来自路基下部因冻土上限下降而引起的高含冰量冻土的融沉变形以及融土的压密变形,其次为路基下部多年冻土因地温升高而产生的高温冻土的压缩变形。②监测期累计变形量小于100 mm的普通路基与块石结构路基断面,其变形主要来自路基下部多年冻土的压缩变形。③总体而言,块石结构路基变形量明显小于普通路基,从而验证了主动冷却措施的长期有效性。其研究结果可为冻土区路基稳定性判断及病害预警提供数据支持。     

青藏铁路多年冻土区工程长期监测系统

青藏铁路穿越了大片连续多年冻土地区, 建设中采取了冷却路基的设计思路, 采用了大量特殊的工程技术措施. 为了解工程和气候作用下冻土变化过程以及路基稳定性与冻土变化关系, 在青藏铁路沿线布设了44个路基监测断面进行地温监测和路基表面的变形监测, 同时开发了青藏铁路长期监测系统软件, 负责数据的存储、分析工作, 其中地温监测数据通过青藏铁路专用网络GSM-R实现了远程传输. 该系统的建立为进一步开展冻土相关研究工作提供了基础数据, 也为路基稳定性预警提供了科学依据.     

青藏铁路多年冻土区普通路基热状况监测分析

基于现场地温监测数据,选取年平均地温不同的监测断面对青藏铁路普通路基的热状况进行分析,包括多年冻土上限变化及其地温变化、下伏多年冻土温度变化、原天然地表附近热收支等方面. 结果表明：在低温多年冻土区,路基下部多年冻土上限均有所提升,且新近形成的人为上限较为稳定,冷季时负温积累显著;路基下伏多年冻土总体热稳定性较好. 而在高温多年冻土区,左（阳坡）路肩下部多年冻土上限多表现为下降,右（阴坡）路肩下部多年冻土上限有升有降,但是新近形成的上限均温度较高且有进一步升温的趋势;与天然场地地温相比,路基下部多年冻土均出现一定的升温. 尤其在高温极不稳定多年冻土区,天然场地多年冻土自身处于吸热升温状态;路基修筑后,下部多年冻土已经出现了融化夹层及双向退化的情况,路基热稳定性较差. 对于普通路基来说,由于青藏高原强烈的太阳辐射及青藏铁路总体走向原因,普通阴阳坡效应显著,左、右路肩下部多年冻土热稳定性差异较大.     

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。     

青藏铁路多年冻土区涵洞基础的冻融变形特征

对青藏铁路沱沱河试验段两座拼装式涵洞进行了地基地温及冻融变形监测，分析了涵洞多年冻土上限处的地温变化及地基的冻融变形特征。结果表明：涵洞地基的变形随地温的年波动变化。可分为冻胀和融沉两部分。冻胀变形小于下沉变形，涵洞基础的变形整体上表现为渐减沉降的特征；铁路路基及涵洞的修建改变了多年冻土原来的水热平衡，使涵洞多年冻土上限处地温产生正温波动，冻土上限产生变化。导致了涵洞地基土体沿涵洞纵向的不均匀变形。     

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。     

青藏铁路块石路基冷却降温效果对比分析

基于现场地温监测数据,对青藏铁路两种主要块石路基（块石护坡及U型块石路基）在不同年平均地温分区的冷却降温效果进行对比分析,发现不论是在低温基本稳定区（年平均温度-2.0 ℃≤TCP<-1.0 ℃）还是高温极不稳定区（TCP>-0.5 ℃）,两种块石路基的应用都能够有效地提升路基下部多年冻土上限。但两种不同块石结构路基表现出不同的冷却降温效果,其中U型块石路基冷却降温效果较好,在路基下多年冻土上限提升及下伏浅层多年冻土降温的同时,深层多年冻土温度保持稳定;而块石护坡路基下人为多年冻土上限的提升及浅层多年冻土温度的降低一定程度上消耗了下伏深层多年冻土的冷量,从而导致其温度有所升高。同时,在不同的年平均地温分区块石路基表现出不同的冷却降温效果：年平均地温较低断面,块石路基冷却降温效果显著。在年平均地温较高的断面,尤其是高温极不稳定多年冻土区,块石护坡路基下伏深层多年冻土温度升高明显,路基长期稳定性难以得到保证。     

保温处理措施在多年冻土区道路工程中的应用

阐述了保温处理措施保护多年冻土的原理, 认为保温材料下部地温年变幅的减小是保温处理措施保护多年冻土上限下降的主要效果. 青藏公路昆仑山越岭地段保温处理试验路段路基、路肩及天然地表下的地温观测资料证实, 保温处理处理措施并不能改变因修筑路基而引起的路基吸热趋势, 但是保温处理后浅层地温下降; 地温年变幅明显减小, 多年冻土上限比无保温处理路段高. 青藏铁路北麓河试验段保温处理试验路段半年的观测资料表明, 保温层上下面温度存在巨大差异, 充分体现了保温材料的热阻效应, 可望大幅度减小保温材料下部地温的年变幅, 起到保护或延缓多年冻土融化的效果.     

东北岛状多年冻土区公路路基清基试验研究

目前黑龙江省对多年冻土区的公路路基下冻土的处理措施主要是以清除为主,文中分别通过现场试验以及数值模拟计算,针对清基与否对路基产生的影响进行了分析。研究发现,对路基基底处理的方案采用清基或不清基方案均是可行的,但清基对路基的热稳定性是不利的。清基对路基温度场较显著的影响发生在施工完成后的1－3年内,在此期间人为上限变化较大,但还不至于造成路基路面的大面积融沉破坏;清基的长期影响是使多年冻土区年平均地温升高, 使路中人为上限下降;清基会使路基内提前约4个月发育融化核,并且融化核厚度也增加0.3～0.6 m;清基对路基温度场造成较大影响的主要影响因素是施工季节与清基后回填土体的初始温度。     

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。     

青藏铁路多年冻土区沼泽化斜坡路基稳定性分析

青藏铁路多年冻土斜坡段路基稳定性对铁路长期运营具有潜在的威胁,分析评价当前和未来斜坡路基稳定性可指导路基工程的正确设计和施工,从而保证铁路的安全运营。多年冻土地温变化使斜坡路基稳定性分析不同于普通土路基,其冻融交界面位置是制约斜坡路基稳定性的关键所在。通过对安多试验段3a来的地温监测,分析路基地温变化规律,并预测了未来50a内试验段地温的变化趋势,建立了当前和未来条件下的斜坡路基稳定性模型,计算分析了斜坡路基的稳定性。通过上述研究,取得以下认识和结论:(1)铁路路堤的填筑,引起多年冻土温度场重分布;由于坡向不对称和几何不对称,使得地温场存在不对称;(2)依据冻融界面位置和活动层的地温特征将冻土路基划分为4个不同时期,即冬季严寒期(1~2月)、春夏融化活动期(3~8月)、最大融深期(9~10月)及回冻活动期(11~12月);通过计算对比分析,每年最大融深期的稳定性系数最小;(3)数值分析的预测结果表明,20a以后,安多段试验段路基的多年冻土完全退化,在所预测的第10年最大融深期稳定性系数最小。     

青海省共和-玉树高速公路新建块石路基下的温度状况分析

块石路基是多年冻土区应用最为广泛的多年冻土路基形式. 为了研究多年冻土区修筑高速公路后块石路基的效果,选取青海省新建共和-玉树高速公路3个块石路基监测断面的实测资料,对路基修筑初期多年冻土温度状况进行了分析. 结果表明：路基修筑初期路基中心原天然地表下0.5 m处仍表现出季节变化规律,至原多年冻土上限深度处,温度波动幅度急剧减小. 块石路基的保温效果与年平均地温密切相关,年平均地温越低,对冻土的保护效果越显著. 受阴阳坡效应的影响,左路肩/坡脚温度高于右路肩/坡脚. 左右路肩及中心孔下多年冻土上限都得到不同程度的抬升,抬升幅度主要受路基高度影响,与多年冻土年平均地温没有必然关系.     

Long-term thermal stability study of the typical embankment along the Qinghai-Tibet Railway in warm permafrost regions北大核心CSCD

Using the long-term ground temperature monitoring data of the permafrost zone along the Qinghai-Tibet Railway from 2006 to 2020,three types of typical roadbed structures were analyzed. Traditional embankment（TE）,U-shaped crushed rock embankment（UCRE）and crushed rock revetment embankment（CRRE）were included the three types of typical roadbed,which were selected to the long-term monitoring sections within the warm permafrost zones. The evolution of ground temperature field,mean annual ground temperature （MAGT）and annual maximum ground temperature（AMGT）in the depth range of 20 m under the embankment were analyzed and studied since 15 years of operation. The monitoring and analysis results show that：the growth rate of MAGT under the left and right shoulders of the TE is always higher than that of the same depth in the natural site. The MAGT under the UCRE is always lower than the natural site and always maintains a certain difference,whereas,the difference in ground temperature under the left and right shoulders is also not negligible. The MAGT of the left shoulder in the CRRE is not much different from that of the natural hole,while the MAGT of the right shoulder is always lower than that of the natural hole,and the differ in ground temperature between the left and right shoulders is smaller than that of the UCRE. The artificial permafrost table（APT）under the TE is always lower than that of in the natural site. Both the UCRE and CRRE,the APT in the left and right shoulders of them has been elevated into the embankment,and the differ of APT between the left and right shoulders is about 1. 0~1. 5 m. the differ of APT between the left and right shoulders in the CRRE is slightly lower than that of UCRE. Overall,because of the influence of thermal disturbance about engineering and climate warming,the TE in the warm permafrost zones cannot keep the thermal stability of permafrost under the embankment. Some active-cooling and reinforcement measures need to be taken. Both of the UCRE and CRRE,have a certain active-cooling effect on the permafrost under embankment,but the differ in ground temperature between the left and right shoulders still needs to be taken seriously. © 2022 Science Press (China).     

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.     

热棒在根拉公路岛状多年冻土路基工程中的应用研究

热棒技术是国内外寒区工程中广泛使用的主动冷却地基的有效方法和关键技术。针对根河至拉布大林公路独特的气候和岛状多年冻土条件,设计间距4 m热棒来保护多年冻土路基,对比分析直式热棒和L型热棒路基的降温效能,实测结果表明：经过2个冬季工作,热棒降低周边半径2.5 m范围路基温度平均降温幅度超过4℃,能有效抵御夏季路面传下热量,有效地保护多年冻土上限不下移,热棒间距4 m是合理的;与直式热棒相比,L型热棒能更快散发黑色路面传下的热量,L型热棒对于宽幅路面下部冻土保护具有更好的工程效果。