基于热稳定性的冻土区铁路路基过渡段结构改进研究

自青藏铁路通车以来,其冻土地区铁路路基的融沉冻胀病害层出不穷,铁路路基过渡段的差异沉降问题尤为严重。基于一般地区铁路路基过渡段差异沉降的治理方法,结合冻土区铁路路基的主动降温措施,对冻土区铁路路基过渡段施工结构进行了探索性的改进研究,并对改进后铁路路基过渡段的长期热稳定性进行了分析。结果表明：将传统块碎石铁路路基上层路基填料换填成一定高度的单一粒径碎石,可使铁路路基在满足力学稳定性的前提下,实现最大限度的自然对流换热效应;通过数值模拟计算分析发现,改进后的铁路路基过渡段结构在气温变暖的环境背景下主动降温效果明显,且长期热稳定性好;桥台对铁路路基过渡段的温度场影响较大,建议对受太阳辐射强烈的桥台进行保温处理。     

多年冻土区列车行驶路基动力响应及永久变形

<正>版次:第一版出版时间:2019-01开本:异16开出版单位:中国建筑工业出版社标准书号:978-7-112-22390-9【内容简介】本书以青藏铁路高温极不稳定多年冻土区路基在气候变化和列车荷载共同作用下的长期服役性能为背景,采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的技术手段,对青藏铁路列车荷载下冻土、融土的动力变形特性、列车荷载下路基振动反应和长期列车荷载作用下路基动力永久变形等问题进行了研究。全书共分为6章,包括:绪论、列车荷载下青藏铁路冻     

列车荷载下青藏铁路冻土路基动力响应分析

根据带相变瞬态温度场的热量平衡控制微分方程, 采用有限元方法计算分析了青藏铁路路基的瞬态温度场. 随后, 根据温度场的分布特点, 应用Biot动力固结理论推导出的Biot动力固结控制方程, 采用热、力间接耦合方法对青藏铁路路基在列车荷载作用下的瞬态动力问题进行了数值模拟, 并系统的分析了列车荷载作用下铁路路基内的振动孔隙水压力、应力、位移等动力响应特点.     

列车荷载下冻土路基非平稳随机振动分析的时域显式法北大核心CSCD

随着我国冻土地区铁路运营里程的不断提升,冻土路基在随机列车荷载作用下的动力响应分析成为了急需解决的工程问题。本文以青藏铁路某路基横断面为例,采用时域显式蒙特卡罗模拟法,计算其在随机列车荷载作用下响应的统计特征。首先,提出列车驶过施加在路基顶面荷载的快速计算方法,并引入轨道不平顺及列车行驶速度两类随机参数,以生成随机分析所需的大量荷载样本。然后,采用数值积分方法将运动方程在时域上进行离散,建立任意离散时刻冻土路基动力响应关于列车荷载的显式表达式。基于该显式表达式,可以高效地实施蒙特卡罗模拟,得到在随机列车荷载作用下路基关键响应的均值、标准差和峰值等统计量。采用该方法,分析了路基在夏冬两个季节不同深度处的随机动力响应,发现在夏季路基浅层中的位移和速度响应最为剧烈。数值算例表明,时域显式蒙特卡罗模拟法在冻土路基随机振动分析中具有理想的计算精度和计算效率。     

青藏铁路沿线的地裂缝及工程影响

通过大比例尺野外地质调查和跨季节对比观测,发现青藏铁路沿线发育地震破裂、断层裂缝、冻土裂缝与冰裂缝4种不同类型的地裂缝。典型地震破裂包括西大滩古地震破裂、昆仑山南缘地震破裂、可可西里古地震破裂、崩错地震破裂、谷露盆西地震破裂、羊八井-当雄盆西地震破裂;地震破裂规模大,产状稳定,与地震鼓包、地震陡坎、地震凹陷有序组合,是地表构造变形的重要形式,属内动力成因地裂缝。断层裂缝沿断层破碎带定向分布,产状稳定,成群产出,与断层活动、地下水运移、不均匀冻胀存在密切的关系,是构造变形与融冻变形联合、内外动力耦合产生的复合成因地裂缝。冻土裂缝和冰裂缝属外营力成因地裂缝,是冻土与冰层不均匀融冻变形的重要表现形式。地震破裂、断层裂缝和冻土裂缝对青藏公路、青藏铁路及沿线工程安全具有不良影响,这些地裂缝切割错断路基,形成路面破裂和路基滑塌,产生显著的灾害效应。     

青藏铁路冻土区遮挡式路基结构安全可靠性预测分析

冻土区路基的安全可靠性取决于路基地温场特征和路基面抗自然侵蚀特征。在路基基床上部修筑遮阳棚和在边坡上修筑遮阳板既可阻挡太阳对路基面和路基边坡的直接辐射,改变路基地温场形态,降低土层温度,又可防止降水渗入路基或降雪覆盖路面。这对防止冻土退化,提高冻土区铁路路基安全可靠性是一种非常有效而又简单易行的工程措施。本文以青藏铁路冻土区遮挡式路基结构路基表面温度数据和该地段气象资料为基础,运用带有相变的一维热传导方程模拟分析了青藏铁路长期运营过程中遮挡式路基结构对冻土区路基人为上限的抬升效果及对路基稳定性的影响,认为遮挡式路基结构是一种安全可靠的冻土区路基工程结构形式,同时也是未来铁路运营过程整治路基病害的一种有效工程措施。     

青藏铁路冻土区土体冷生过程对路基变形影响

一般地区路基土体变形主要受土体压密过程控制,青藏铁路冻土路基变形则主要是受土体冷生过程影响和控制。通过对填土路基修筑后土体冷生过程以及工程实测数据分析,指出冻融过程不同阶段冻土路基变形与土体冷生过程有着密切关系。认为控制填土路基冷生过程稳定时间和填土路基地温场形态,是减少冷生过程和铁路长期运营过程中路基变形、保证冻土区路基工程长期稳定性的有效途径。此认识已经在青藏铁路冻土区路基工程建设实践中得到证明。     

我国冻土路基工程研究的过去、现在和未来

回顾了中国冻土路基研究发展历程中的重要成果和历史脉络,重点介绍了青藏高原路基工程方面所取得的重要成果.随着国家西部大开发战略的实施和青藏铁路丁程的建设,我国在冻土路基基础理论、路基稳定性技术和理论模型和模拟等领域取得了重要进展.研究队伍迅速成长,特别是在冻土路基设计原则和理念的创新和进步世界瞩目,为将青藏铁路建设成世界一流的高原铁路奠定了坚实的理论基础.同时,青藏铁路的建设为如何修筑多年冻土路基提供了广阔的试验平台,不论从冻土路基设计理论、计算理论、路基稳定性技术等方面;还是新材料、新技术使用方面都可使冻土区路基修筑技术发展迈上一个新台阶.最后,基于冻土路基工程研究的实际和未来国家需求,提出了本学科未来的研究方向和需重点关注之处.     

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。     

列车荷载作用下冻土路基中的动应力计算研究

冻土路基在列车荷载作用下的动力响应是一个复杂的热、力相互作用过程,又是一个急需解决的实际工程难题. 应用冻土物理学、冻土力学、传热学等基本理论建立冻土路基的动力分析模型,以青藏铁路某普通路基典型断面为例,对冻土路基在列车荷载作用下的动力响应进行了数值模拟,并系统的分析了路基内动应力、位移、加速度等动力响应特点. 结果表明：普通路基修筑后,在路基及其下部地基中将会产生大片力学性质不稳定的高温冻土层;在列车荷载作用下,路基内土体产生竖向加速度,随着深度增加,加速度波动范围减小,路基顶面中心点加速度波动范围比路基底面中心点大一个量级. 路基竖向位移由道砟中心向内部呈圆弧状逐渐减小,整个分布关于路基中线对称;在不同季节的路基上施加列车荷载时,路基顶面的动应力差异不大,但路基底面的动应力差异达7.5 kPa. 不同季节的路基内动应力随深度的衰减曲线不同,路基表面以下2 m和大于15 m的深度范围内,差异较小;2~15 m的范围内,差异较大.     

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.     

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.     

青藏铁路路基稳定性模型的GIS集成工作环境应用研究

为了发挥GIS在青藏铁路冻土路基稳定性研究中有力的支持作用, 在已经建成的青藏铁路数字路基GIS平台的基础上, 探讨了一种基于过程集成模式的模型与GIS集成方法, 研究建立专业冻土路基模型与GIS平台集成的可视化"模型GIS集成工作环境", 研究重点为专业冻土路基稳定性模型模块在此"模型GIS集成工作环境"中的集成技术手段、 模型管理模式以及模型调用模式. 作为研究成果, 实现了一个实用原型系统.     

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.     

冻土前期固结压力的试验研究

前期固结压力 在土力学中占有重要的地位。对于融土, 是土受力历史的重要指标,与土的力学性质有着密切关系;对于冻土,由于冰和土颗粒骨架的联结使其具有一定的结构性,也应当具有类似前期固结压力的指标存在。以冻结青藏黏土为研究对象,对不同初始干重度和不同温度下的冻土试样进行 压缩试验,采用双对数法得到冻土的前期固结压力 。研究表明,这个指标尽管不同于融土前期固结压力的概念,但其对于冻土的力学性质同样具有重要意义。试验研究还发现,冻土前期固结压力与干重度和温度具有一定的关系。     

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。     

冻土路基表面的融化指数与冻结指数

在冻土层之上筑路，由于会改变地-气界面的热物理特性，进而影响冻土层的热力→动力稳定性，故而修筑一定高度的路基成为保护冻土层所采取的一种常规措施．在修筑路基之后，与路基边坡的朝向有关的热效应是冻土路基工程保护措施必须考虑的问题．在数理分析与数值模拟分析的基础上，给出了可根据气温的年最大和最小月平均值计算路基表面的融化指数与冻结指数以及有关热状况参数的方法，并以青藏铁路北麓河段2002年为例进行了计算分析．实例分析表明，即便是没有修筑道路，北麓河地区的冻土也已经处于临界状态；路基相对的两个坡面，由于朝向不同会造成温度分布的强非均匀性，其中南和偏南方向与北和偏北方向的路基坡面热状况差异最大，有必要对路基相对的两个坡面采用不同的防护措施，一方面改善就地取土修筑路基对其下伏冻土层的直接不良影响，同时也尽可能减小路基表面温度分布的非均匀性，以避免纵向裂缝的发生。     

青藏铁路填土路基热-力耦合离散元研究

多年冻土是含有冰的特殊土体,在自然环境变化及工程扰动下易发生冻胀融沉变形,严重威胁着青藏高原工程建筑物的安全稳定,特别对青藏铁路的畅通运营提出了严峻挑战.以青藏铁路五道梁地区路基断面为研究对象,采用颗粒离散单元法,通过建立热-力离散元计算模型,对路基的温度场和变形进行了计算和预测.结果表明:离散单元法克服了有限元方法无...     

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.