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     

青藏铁路主要冻土路基工程热稳定性及主要冻融灾害

在介绍青藏高原多年冻土退化背景及其工程影响的基础上,通过主要冻土路基现场监测和沿线调查,对青藏铁路冻土路基2002年以来的地温发展过程、热学稳定性及次生冻融灾害进行了分析。结果表明：青藏铁路自2006年通车后冻土路基整体稳定,列车运行速度达100 km/h,达到设计要求,但不同结构路基的热学稳定性不同,采取＂主动冷却＂方法的路基稳定性显著优于传统普通填土路基。管道通风路基、遮阳棚路基及U型块石路基冷却下伏多年冻土的效果显著,块石基底路基左右侧对称性较差,而处于强烈退化冻土区和高温冻土区的普通路基热稳定性差,需结合路基所在区域局地气候因素予以调整或补强。以热融性、冻胀性及冻融性灾害为主的次生冻融灾害对路基稳定性存在潜在危害,主要表现为路基沉陷、掩埋、侧向热侵蚀等,其中目前最为严重的病害是以路桥过渡段沉降为代表的热融性灾害。     

桩筏结构加固路桥过渡段深厚淤泥地基的现场试验研究

针对采用"预应力管桩+钢筋混凝土板"的桩筏结构加固处理高速铁路路桥过渡段的深厚淤泥地基,选择两处过渡段开展现场试验,基于实测结果分析桥台地基土的侧向位移和孔隙水压力、桩筏结构的沉降、桥台基桩的弯矩和侧向位移的变化特点及其产生原因,研究过渡段打入管桩对邻近桥台地基的影响、靠近过渡段的路基填土对桩筏结构稳定性的影响、台后路基填土对桥台基桩的侧向影响。结果表明:过渡段打入管桩会挤压邻近的桥台地基,若不采取其他措施,宜等管桩全部打完5个月后再开始钻进靠近管桩的桥台冲孔灌注桩孔;靠近过渡段的路基填土使桩筏结构先上浮然后不均匀下沉;采用桩筏结构对过渡段的淤泥地基进行加固处理后,台后路基填土仍会使下卧淤泥侧向移动而挤压桥台基桩,使桥台基桩偏移。     

风积沙对青藏铁路块碎石路基降温效果的影响

风沙危害正在威胁着青藏铁路的安全营运. 通过数值方法研究了风积沙填堵和覆盖青藏铁路块碎石路基后, 块碎石层降温机理以及降温效果的变化特征. 结果表明:开放条件下块石路基具有较强的强迫对流效应; 风积沙填堵后, 块碎石层降温效果减弱. 封闭条件下, 冷季路基坡脚处自然对流较强, 冻土上限抬升; 路基内部自然对流较弱, 由于路基填土作用, 路基中心处冻土上限抬升较大, 但随时间增长而降低; 沙层覆盖后, 块碎石层降温效果减弱, 路基下部冻土上限下降. 在气候变暖背景条件下, 封闭块碎石层自然对流减弱, 冻土上限下降, 不利于冻土路基的热稳定. 因此, 建议对沙害路段的块碎石路基采取补强措施.     

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.     

高温冻土区U型块石路基长期降温效果及变形特征研究

U型块石路基作为块石护坡与块石基底两种结构路基的组合,同时也作为青藏铁路的一种主要补强措施,其在高温冻土区的长期降温效果备受关注。基于长期的现场监测资料,对青藏铁路楚玛尔河高温冻土区一处U型块石路基的长期降温过程、降温机制以及变形特征进行了研究。结果表明:U型块石路基表现出持续稳定的降温效果,路基下部多年冻土上限附近降温明显,上限抬升迅速,且进入稳定状态。基底块石层底、顶板温差存在明显冷暖季差异。阴坡侧块石层每年1月至3月初为相对强烈自然对流期,阳坡侧相对缩短半个月时间。受工程热扰动影响,深层的多年冻土在经历2~3年升温过程后,呈现显著的降温过程。路基变形整体表现为较小的沉降量,变形主要来源于早期路基下部高温冻土层的压缩变形。总之,U型块石路基在高温冻土区表现出长期有效的降温效果,变形量有限且已趋于稳定,路基整体稳定性可以得到保证。     

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。     

路桥过渡段的三维数值模拟分析

根据秦沈客运专线DK266+521路桥过渡段结构形式及过渡段的路基面纵向、横向的动应力测试结果,采用三维有限差分数值计算,模拟了动荷载作用下过渡段的沉降变形分别在线路纵向、横向及路基深度方向的变化规律及过渡段设置形式、材料刚度、过渡段的尺寸对沉降变形的影响。结果表明,正梯形过渡段的性能优于倒梯形过渡段;过渡段碎石刚度必须满足一定的要求;过渡段梯形上下底宽的变化对过渡段沉降的影响不明显。     

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。     

青藏铁路碎石护坡-热管复合措施的补强效果研究

青藏铁路高温冻土区的普通路基和保温材料路基均处于热不稳定状态, 需要对它们增设碎石护坡-热管复合措施来强化处理, 新增设的补强措施对路基下部冻土的保护效果如何是人们极为关心的问题. 因此, 对北麓河高温高含冰量路段增设了碎石护坡及热管的复合补强措施后路基下部土体的热状态进行观测.结果显示:普通路基在增设补强措施后, 人为冻土上限进一步抬升, 阴阳坡下均出现显著的降温趋势, 且路基下温度场逐渐趋于对称, 降温范围逐渐向路基中心及深部发展, 路堤中心深部地温仍处于增温状态, 但增温趋势明显缓减; 保温材料路基在增设补强措施后, 人为冻土上限也进一步的抬升至保温板附近, 融化夹层在2个冻融周期后消失, 路堤中心温度在2个冻融周期后出现了降温趋势. 这些效果说明, 补强措施在调控路基内部及下部多年冻土温度时发挥了积极作用.     

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。     

Thermal Characteristics of the Embankment with Crushed Rock Side Slope to Mitigate Thaw Settlement Hazards of the Qinghai-Tibet Railway

Abstract: Permafrost (perennially frozen ground) appears widely in the Golmud-Lhasa section of the Qinghai-Tibet railway and is characterized by high ground temperature (≥ ?1°C) and massive ground ice. Under the scenarios of global warming and human activity, the permafrost under the railway will gradually thaw and the massive ground ice will slowly melt, resulting in some thaw settlement hazards, which mainly include longitudinal and lateral cracks, and slope failure. The crushed rock layer has a thermal semiconductor effect under the periodic fluctuation of natural air. It can be used to lower the temperature of the underlying permafrost along the Qinghai-Tibet railway, and mitigate the thaw settlement hazards of the subgrade. In the present paper, the daily and annual changes in the thermal characteristics of the embankment with crushed rock side slope (ECRSS) were quantitatively simulated using the numerical method to study the cooling effect of the crushed rock layer and its mitigative ability. The results showed that the ECRSS absorbed some heat in the daytime in summer, but part of it was released at night, which accounted for approximately 20% of that absorbed. Within a year, it removed more heat from the railway subgrade in winter than that absorbed in summer. It can store approximately 20% of the “cold” energy in subgrade. Therefore, ECRSS is a better measure to mitigate thaw settlement hazards to the railway.     

多年冻土区铁路路基导热系数监测与分析

为分析冻融过程、 道砟覆盖及降雨对多年冻土区铁路路基土体导热系数的影响, 对青藏高原多年冻土区铁路路基试验段和天然地表土体开展导热系数、 温度、 水分原位监测。结果表明： 融化期导热系数波动均明显大于冻结期, 天然场地导热系数在冻结期大于融化期, 而无道砟覆盖路基土体和道砟覆盖路基土体的导热系数在冻结期小于融化期, 与通常的认知和温度场模拟取值相反; 道砟层的保温和阻水效应导致道砟覆盖路基土体含水量和导热系数均小于无道砟覆盖路基土体, 冻结期路基土体导热系数有减小趋势, 道砟覆盖路基土体尤为显著; 降雨入渗增大土体导热系数, 低含水量的道砟覆盖路基土体导热系数对降雨的响应最强烈。寒区路基工程数值模拟时, 应考虑水热变化对导热系数的影响, 不宜采用固定相变区间的分段函数或阶跃函数预估导热系数。     

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.     

高速铁路深厚软基连续薄板梁结构测试分析

在深厚软土地基上修筑无砟轨道高速铁路低矮路基,需要重点解决好软土地基工后沉降和长期动力稳定性问题.软土地基具有高压缩性,路堤荷载作用下会产生较大的残余沉降;同时,线路运营后,地基土在高速列车长期循环动荷载作用下易产生较大的塑性变形,二者耦合将严重影响到无砟轨道的几何状态和线路运营安全.基于此,在京沪高速铁路上海虹桥深厚软土地区低矮路基中,首次采用了桩基-连续薄板梁结构型式,并进行了系统的静动态监测、测试.结果表明,该结构工后沉降控制效果良好、长期循环荷载作用下性能稳定,可以满足高速铁路铺设无砟轨道和高速列车长期平顺运行的要求.     

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。     

Influence of different transition zones on the dynamic response of track–subgrade systems

A railway track–subgrade system is modeled using the finite element method (FEM). Two different transition zones between a bridge and an ordinary subgrade, usually used for high speed passenger lines in China, are investigated. Both the calculated vertical displacement and acceleration of the rail and the slab and the calculated vertical displacement and the stress of the subgrade surface of the two transition zones are compared. The dynamic response of the two-part transition section is better than that of the inverted trapezoid transition section, and a 30-m length of both transition sections is recommended. The dynamic response of the track–subgrade system changes abruptly after the first 3 m of the transition section, measured from the bridge abutment. Special attention should be given to this critical zone during construction.     

结构型式对寒区高铁路基冻结特征影响试验研究

哈尔滨至大连客运专线是我国在中-深季节冻土地区设计、建造和运营的第一条高速铁路,其独特的工程地质条件以及在低温环境下线路的苛刻要求引发的工程需求对寒区路基的稳定性问题提出了新的严峻挑战。通过在不同冻深区选择典型性路基断面,以用来监测路基的稳定性和冻结特征。并通过对运营后第1个冻融期内的监测数据分析发现,路基的结构型式对寒区高铁路基的冻结特征有着显著的差别性影响和制约作用。结果表明：对比路堑段的中部及其临近路堑进出口处的路堤段,路堤段存续有较长时间和较厚的冻结夹层,其堑-堤地温差值也随着纬度的增加而增加。同时发现在4月份的路基中存在有一定厚度的高温冻结夹层。而同一区域内,路堑的最大冻结深度要较路堤的冻结深度浅20～50 cm,但相反的是,路堑的最大变形却较路堤的要大2～5 mm,这种差值越向北越明显。同时在春融期内,路堑段的冻深变化速率在0上下剧烈波动,此时变形产生了突变式上升,而路堤段的冻深变化速率却在负值区内变化,变形并未发生明显的突变。     

铁路路基压实质量检测中的小型平板载荷试验分析

合理高效地进行路基填土压实质量检测对保证工程质量、提高施工效率具有重要意义。通过在室内开展精细的地基系数K30与变形模量Ev2、Ev1试验,对比分析了两种小型平板载荷试验的特点,重点讨论了变形稳定和等时间隔两种加载方式对试验效率和试验误差的影响规律,得到以下结论：K30较Ev2更能直接反映路基的压密程度,每级荷载的保持时间对试验结果有显著影响,满足1%沉降稳定控制标准需较长的试验历时;K30试验的沉降稳定控制标准由1%改为2%、或加载时间间隔为6 min,可缩短30%～50%试验时间,K30值误差在10%以内;提出了K30试验加载的荷载-时间控制法（P-t法）,用于铁路路基砾石类填料压实质量的K30检测具有良好适应性。     

全风化花岗岩改良土路基的长期稳定性试验研究

全风化花岗岩用于高速公路填料已有成功的案例,但由于高速铁路路基变形控制更为严格,能否用于高速铁路路基填料还没有得到实体工程的验证。基于全风化花岗岩及其改良土的工程力学性质和变形特性,使用PMS-500型循环加载设备对全风化花岗岩改良土路基实体工程进行了现场循环加载试验研究,模拟分析了不同轴重列车荷载长期循环作用下浸水前后全风化花岗岩改良土路基的动态特性及沉降规律和其下雨前后路基性状变化。试验结果表明,全风化花岗岩改良土路基经过500万次列车模拟动荷载作用后,即使经历了如雨水长期浸饱路基的最为恶劣工况,最终沉降量不超过7.0 mm,证实了全风化花岗岩经过改良后能满足高速铁路变形控制的设计要求,可用于高速铁路的基床底层及路堤本体填料