青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式（Ⅱ）：无云大气条件下模拟试验结果分析

冻土层的变化与地-气交接面的能量交换过程有直接的联系，地-气交接面的能量交换过程包含了辐射、对流、热传导三种最基本的热物理过程，利用以此为基础建立的青藏铁路沿线地表和路基表面热力学数值模式(RSTM)，将安多站的实测资料作为模式输入，针对梯形路基与边坡朝向和坡度有关的坡面温度变化及两侧坡面温差变化的问题，对无云大气条件下不同坡度和坡向的表面温度变化特征进行了模拟分析，结果表明，对于就地取土修筑的路基而言，安多段路基上表面温度在各季节都高于气温。在夏季具有明显的高表面温度值，尽管在夏季任何坡度和坡向的路基坡面都具有冷却效应，但路基仍处于高温状态；冬季路基上表面温度虽略低于0℃，但路基偏南方向坡面的强烈增温效应，使南坡表面温度远远超过冻土融化温度的临界状态，而路基两侧坡面热效应的相反作用，通过影响冻土层的冻融过程，可能引起路基纵向裂缝的发生。因此，对冻土路基采取有效的防护措施是非常必要的，用实测资料进行的检验表明，RSTM具有良好的模拟性能，对不同防护措施下青藏铁路路基热状况的预测具有良好的应用前景。     

青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式(II):无云大气条件下模拟试验结果分析

冻土层的变化与地-气交接面的能量交换过程有直接的联系.地-气交接面的能量交换过程包含了辐射、对流、热传导三种最基本的热物理过程.利用以此为基础建立的青藏铁路沿线地表和路基表面热力学数值模式(RSTM), 将安多站的实测资料作为模式输入, 针对梯形路基与边坡朝向和坡度有关的坡面温度变化及两侧坡面温差变化的问题, 对无云大气条件下不同坡度和坡向的表面温度变化特征进行了模拟分析.结果表明, 对于就地取土修筑的路基而言, 安多段路基上表面温度在各季节都高于气温, 在夏季具有明显的高表面温度值, 尽管在夏季任何坡度和坡向的路基坡面都具有冷却效应, 但路基仍处于高温状态; 冬季路基上表面温度虽略低于0 ℃, 但路基偏南方向坡面的强烈增温效应, 使南坡表面温度远远超过冻土融化温度的临界状态, 而路基两侧坡面热效应的相反作用, 通过影响冻土层的冻融过程, 可能引起路基纵向裂缝的发生.因此, 对冻土路基采取有效的防护措施是非常必要的.用实测资料进行的检验表明, RSTM具有良好的模拟性能, 对不同防护措施下青藏铁路路基热状况的预测具有良好的应用前景.     

青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式(Ⅰ):物理过程与实验方案

路基表面的热状况具有时空分布的非均匀性,筑建在冻土区的路基,其下伏冻土层对上边界非均匀热强迫的响应,会引起冻土层的冻胀、融沉非均匀变化,进而造成路基的变形失稳.因此,了解路基表面热状况的时空变化规律对监测和防治路基冻融病害、保证路基稳定性具有重要意义.鉴于此,从热力学研究角度出发,以气候影响因子-大气辐射传输-地气交接面辐射特性-地气间热量交换为研究主线,基于能量守恒原则,建立针对青藏铁路沿线地表、路基上表面和路基左右边坡表面的普适性热力学数值模式,用于高海拔青藏铁路全线的任意坡度和走向的路基表面热状况的定量化研究与应用.     

青藏高原多年冻土区碎石护坡降温作用及效果分析

基于青藏高原北麓河多年冻土区碎石护坡路基与普通路基温度监测资料分析,结果表明:碎石层的铺设具有减小坡面年平均温度及坡面温度年较差的作用;与普通路基相比,碎石护坡在暖季主要起到隔热作用,但在冷季主要存在不利于路基散热的弊病.从路基人为冻土上限抬升状况、温度降低程度和路基变形量的差异来看,碎石护坡路基较普通路基有利于冻土路基的热稳定性.但碎石护坡调节路基内部温度场是一个长期过程,即坡面温度对多年冻土温度的影响具有滞后性,若作为青藏铁路多年冻土区补强措施使用时应慎重.     

青藏铁路普通路基下冻土过程动态评价

本文主要利用青藏铁路北麓河厚层地下冰试验段中普通路基下部冻土温度的监测资料,对路基下部冻土温度变化和热收支特征进行了分析,并对修筑普通路基后多年冻土热融蚀敏感性和热稳定性进行了计算。结果表明,修筑普通铁路路基后,虽然多年冻土人为上限有较大幅度抬升,但原天然上限以下多年冻土温度却逐年升高,表现为显著的吸热状态。同时冻土热融蚀敏感性增强,冻土热稳定性下降,对路基热稳定性将产生较大的影响。     

多年冻土地区路堤热差异分析

通过对实测和计算结果的分析,揭示出冻土路堤中存在显著的横向热差异问题,指出了路基中的横向热差异是由各边界因素的横向差异引起的,路基阴坡面和阳坡面吸收热量的差异使阴坡面下冻土层厚度大于阳坡面。还分析了横向热差异对路基稳定性的影响。      

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。     

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。     

青藏铁路冻土路基温度场随机有限元分析

从一阶Taylor展开式入手,结合冻土温度场计算有限元法,推导了冻土路基温度场随机有限元方程及有关计算公式,并对青藏铁路北麓河试验段冻土路基温度场进行了随机有限元分析,结果表明温度标准差与温度场的分布趋势大致相同,在垂直方向上,最大值都出现在路基上部,向下逐渐减小,但两者分布范围略有不同,路基内部标准差的分布范围明显较大,在一定深度处达到均化。     

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片石通风路堤施工技术

结合工程实例详细介绍青藏铁路高原多年冻土地段片石通风路堤的参数选择、施工方法以及保证措施.通过以上的施工技术,取得了相应的阶段性成果:片石路基片石层顶面、底面与路基基底位置处地温分别低于普通路基相同位置处地温,片石路基有利于降低路基地温,是一种有效的主动保护多年冻土工程措施;片石路基在调节路基阴阳坡地温起到了积极的作用,减轻了路基地温不对称性的发生;对比片石路基和普通路基的路基变形量,片石路基的变形量相对较小.     

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。     

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.     

青藏铁路路基下高温-高含冰量冻土旁压试验研究

为研究青藏铁路路基下高温-高含冰量冻土的力学性质,在青藏铁路北麓河试验段开展一系列旁压强度试验。试验研究表明：路基的增加引起路基下多年冻土温度升高,未冻水含量增加,最终导致冻土旁压临塑压力Pf下降31 %,旁压极限压力Pl下降44 %,旁压剪切模量Gm下降80 %。对于高温冻结黏土,富冰冻土和饱冰冻土Gm对温度变化的敏感性高于含土冰层;饱冰冻土的Pf和Pl对温度变化的敏感性高于富冰冻土和含土冰层。     

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。     

青藏铁路管道通风试验路基地温变化及热状况分析

基于青藏铁路北麓河试验段管道通风路基在2个冻融循环周期内的地温监测资料，分析了路基温度的发展、温度场分布特征及多年冻土的热流量变化．结果表明：通风管埋设于路堤中部的路基温度变化和发展情况与一般路基类似，路基在施工后的2个冻融周期内仍处于整体升温的过程；通风管埋设于路堤下部的路基，虽然前2个冻融循环周期内土体温度与原始状态相比同样有所升高，但开始出现逐渐降低的趋势，同时地温场的分布在横向上的对称性也比较好，在热交换方面，一般填土路基和通风管位于路堤中部的路基在施工后的前2个冻融循环周期内一直处于吸热过程，而通风管位于路堤下部的路基在经历了第1个周期的持续吸热过程后，在第2个冻融循环周期内已经开始放热。     

土工格栅在青藏铁路多年冻土区路基工程中的应用

以青藏铁路多年冻土区清水河冻土加筋路堤试验段为例,对土工格栅在铁路路基工程中的应用原理及设计思路进行了叙述.通过对路基裂缝进行调查、分析和比较,土工格栅对加强路基整体稳的作用是肯定的.在多年冻土区路堤中,使用土工格栅加筋层对防止路堤纵向裂缝的产生、抑制横向寒冻裂缝具有明显的作用.