高温冻土地区高等级公路片块石路基降温效果分析

基于长期、连续的地温观测数据,对位于共和至玉树高等级公路沿线、平均海拔为4 260 m且处于高温冻土区的片块石路基温度、热状态、冻融循环过程和冻土人为上限及变化速率等进行了分析,研究了沥青混凝土和水泥混凝土路面对片块石路基下伏多年冻土的影响,以期对其适用性进行评价。研究发现,沥青混凝土路面的铺设使路基吸收了较多的热量,促使下伏多年冻土升温,导致多年冻土快速退化。观测期内,高温冻土地区沥青混凝土路面下片块石路基中心冻土退化速率为33.5 cm/a,几乎是天然地基的5倍。而且路基阴阳坡效应严重,阳坡路肩冻土退化速率为33.0 cm/a,明显大于阴坡路肩(22.0 cm/a)。与沥青混凝土路面相比,水泥混凝土路面较高的热反射率、较小的热辐射吸收率,有利于抬升冻土上限或减缓冻土退化速率。但在观测期间,发现处于高温冻土区的高等级公路片块石路基在沥青混凝土路面下融化盘面积增长速率为12.24 m²/a,而在水泥混凝土路面下为9.28 m²/a,即融化盘面积以不同程度的速率始终在增大。因此,单纯的片块石层的存在和路面类型的改变,并未彻底解决高温冻土区高等级...     

多年冻土区不同路面材料路基热稳定性分析

针对多年冻土区路基路面病害多发的现状,从路面材料入手,对水泥混凝土和沥青两种路面下路基温度场的变化规律进行研究。研究结果表明,在计算高度范围内,对于8.5 m路面宽幅的路基来说,沥青路面下的最大融深大于混凝土路面下的最大融深,尤其在路基高度较低时两种路面下的融深差异更大。最大融化深度和最大融化深度发展速率均与路基高度和路面宽幅有紧密关系,通过研究可以提出有效的措施来保持路基热稳定性,从而减少路基路面病害的发生和公路的运营成本,为今后类似工程提供参考     

U型块石路基结构对多年冻土的降温作用

通过对比北麓河试验段U型块石路基结构和普通路基下部土体温度监测研究,U型块石路基显著地抬升路基下部多年冻土上限,具有较强的降低多年冻土温度的作用.2005—2007年间,U型块石路基下多年冻土上限平均抬升幅度达0.9~1.4 m.路基中心下部0.5 m深土体温度降温幅度达1.13℃,原天然上限附近土体温度降温达1.28℃,5 m深的多年冻土降温幅度达0.77℃,且U型块石路基下部土体温度呈现逐年降低的趋势.然而,普通路基下部土体温度远比U型块石路基下部要高,2005年普通路基下部0.5 m深土体年平均温度比U型块石路基高1~3℃,1.5 m处高0.8~1.9℃,5 m处高1.2~1.5℃.同时,U型块石路基下部多年冻土上限抬升比普通路基大,2004—2006年间U型块石路基左路肩下多年冻土上限抬升比普通路基大0.86 m,路基中心大0.5 m.     

青藏铁路多年冻土区含融化夹层路基的热状态

基于青藏铁路K1496+750监测断面含融化夹层路基长达10 a的地温监测数据,分析了在气候转暖及工程活动下天然场地及路基左右路肩下多年冻土热状态年变化过程、融化夹层的年变化过程及其对多年冻土热状态的影响。结果表明：监测断面天然场地、左右路肩下多年冻土上限逐年下降,热稳定性逐年降低;观测期内,左路肩下发育有融化夹层,融化夹层厚度在波动中呈增厚趋势,且其增厚主要是由多年冻土人为上限下降所致,而天然场地及右路肩下未发育融化夹层;多年冻土上限附近土体热积累显著,进而导致多年冻土上限逐年下降及其附近土体温度逐年升高,弱化了多年冻土的热稳定性;后期增加的块石护坡和热管两种具有“主动冷却”效能的工程补强措施很好的改善了路基的热稳定性,右路肩经工程补强措施后,多年冻土人为上限得到显著抬升,热稳定性得到显著改善,而左路肩由于融化夹层的存在,工程补强措施仅仅维持了当前多年冻土热状态,融化夹层的存在一定程度上弱化了工程补强措施所产生的冷却效能。     

青藏高原冻土区路面类型对路基温度场影响的非线性分析

采用焓模型, 建立含相变的冻土路基温度场, 综合考虑气温、太阳辐射、风速风向、坡面蒸发等气象因素, 将诸多气象因素归结为第二、三类边界条件的叠加组合, 对不同气温地区的沥青路面及水泥路面路基温度场进行了有限元计算. 结果表明: 路面类型对冻土路基温度场有着重要影响, 水泥路面的采用可有效地降低路面温度, 延缓冻土上限下降速率, 从而可以有效保护基底多年冻土; 从对基底冻土上限影响的角度来看, 路面类型、外部气温与路基高度三者间存在一定的动态等效关系.     

多年冻土区高等级公路特殊路基长期降温效果研究

气候变暖背景下,块石路基及通风管-封闭块石基底复合路基成为多年冻土区高等级公路冷却路基的主要结构形式. 为探明不同直径块石层的渗流特征和规律,开展了立方排列球体室内风洞试验,一方面获得了渗透率和惯性阻力系数及其与球体直径间的统计关系;另一方面得到了球体层内部压力梯度与渗流速度呈二次非线性关系. 基于该试验得到的参数和关系,采用多孔介质中流固耦合传热模型,通过有限体积法模拟了柴木铁路块石路基的降温效果,并利用实测数据验证了模型及参数的可靠性. 在此基础之上,以青藏高等级公路特殊路基为原型,使用该传热模型开展了封闭块石基底路基和通风管-块石复合路基长期冷却降温效果的数值模拟研究. 结果表明：封闭块石基底路基和通风管-封闭块石复合路基在研究期内均有降温效果,可以提高路基下人为上限,而块石夹层路基在一定时期内可以提高冻土上限,但下部土体温度升高,长期降温效果较差.     

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。     

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.     

路基坡脚积水对多年冻土路基稳定性的影响研究进展

多年冻土路基的稳定性很大程度上取决于其下伏多年冻土层的热稳定性. 当融雪、降雨或人为等外界因素形成的路基坡脚积水持续一段时间后,这些积水可能通过入渗对流换热、热边界侵蚀、补给冻胀水分等方式加剧或诱发多年冻土路基热稳定性的下降和丧失. 通过回顾国内外相关文献,从影响多年冻土路基稳定性的因素、积水对路基活动层冻融过程中水分迁移的影响、热融湖塘类积水对冻土路基的热影响、降雨和融雪积水入渗对冻土路基的热影响等方面,归纳总结了坡脚积水对多年冻土路基影响方面的研究进展;在此基础上,提出了对此问题进一步深入的研究展望和探讨.     

融化夹层厚度影响因素分析与片块石路基降温效果研究

青藏公路沿线存在大量融化夹层,常年不冻的融化夹层会使路基出现沉陷、波浪等病害,严重威胁道路的安全运营. 通过对昆仑山垭口南至五道梁的地质勘探资料和地温观测数据进行分析,研究了融化夹层厚度与年平均地温、路基高度的关系,发现融化夹层厚度随年平均地温的升高而增大,随路基高度的升高呈先减小后增大的趋势. 根据以上研究,提出片块石路基对融化夹层进行处治,保护路基下伏多年冻土,并通过五道梁段片块石路基试验工程进行验证. 通过对地温观测数据分析,发现片块石路基能很好的消除融化夹层,在同一深度处片块石路基地温明显低于普通路基,很好的保护了下伏多年冻土.     

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。     

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。     

多年冻土区路基尺度效应对路面结构力学响应的影响

为了研究不同尺度路基融沉作用对路面结构层力学响应的影响,建立了基于热力耦合理论的有限元模型,系统研究不同路基尺度工况下,融沉作用对不同厚度路面、不同材料基层的力学分布规律影响. 结果表明：相同的融沉条件下,整体式路基较分离式及二级路基,变形分别增大45%、64%,应力增大17.5%、21.7%. 高速公路面层由于路基较宽,地基融沉更容易向上传递,进而导致面层底部应力增大,最终造成面层的破坏. 因此,路面设计过程中保证一定的面层厚度,并采用柔性基层减小模量,可有效以降低层底应力水平,并防止基层裂缝向上反射.     

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。     

宽幅沥青路面热效应对其下部土体热状态的影响

在多年冻土区,道路工程建设会引起下伏冻土吸热融化,进而威胁上部工程稳定性,这一冻土问题是多年冻土区工程建设面对的重要问题.对于青藏高速公路而言,由于铺设高吸热性的沥青路面和路基幅面增宽引起的尺度效应,路基吸热量较普通路基将大幅增加,使得其冻土问题更为突出.基于此,利用数值仿真手段,考虑全球气候变暖背景,对宽幅路基修建完成后20 a的热状况进行预测研究和比较分析,阐明了宽幅面沥青路面热效应对下部土体热状态的影响及其与路基边坡水平热效应的综合贡献,比较分析了全幅修建和分幅修建条件下下伏冻土热状态的异同. 研究成果将为多年冻土区高速公路的路基稳定性研究和建设模式等提供基础理论指导.     

山区公路典型沥青路面结构容许横向沉降差研究

大量的研究表明,路基不均匀沉降导致上部路面结构在车辆重复荷载作用下出现早期的破坏,严重影响了路面服务性能,而现有的路面结构设计未考虑路基不均匀沉降对路面结构的影响。在以往对路基不均匀沉降研究的基础上,采用有限元程序ABAQUS分析了在路基发生不均匀沉降条件下,路面承受车辆重复荷载作用的动力学响应以及路面开裂的变化过程,引入损伤变量定量描述了路面的破坏过程,分析了路基横向沉降差对路面开裂的影响,并参照路基边坡稳定安全系数的定义及规范取值。在此基础上,提出了山区公路典型沥青路面结构的容许横向沉降差值为2.2‰,并建议将其作为路基路面结构整体设计的一个控制指标加以考虑,以避免路基不均匀沉降导致的路面早期破坏,从而提高山区高等级公路的设计及建造水平。     

热反射技术及其在多年冻土区道路热保护中的应用

热反射技术是一项被广泛应用于建筑物及道路表面降温的主动冷却技术, 国内外很少对此技术在多年冻土区道路热保护方面进行研究。针对多年冻土区气候及工程环境特点, 综述了热反射技术在冻土区道路中的应用现状和研究成果, 阐述了热反射涂层的基本成分、 反射机理和测试方法, 分析了路用热反射涂层的材料性能、 反射效果和路用性能, 简要介绍了热反射涂层在路基边坡应用方面的研究进展。指出在当前条件下利用热反射涂层保护多年冻土区道路所遇到的问题及可行的解决方案, 并在此基础上提出了今后研究的重点： 从材料选择、 理论分析和试验方法入手, 对路用热反射涂层的颜色、 反射性能、 路用性能和区域适用性进行改进和研究, 加强多年冻土区道路热反射涂层的野外试验和分析, 深入研究复杂气候和工程环境下的热反射涂层性能。     

基于遗传算法的冻土路基融沉可靠性分析

在冻土路基融沉变形极限状态方程的基础上,从可靠度指标的几何涵义出发,提出了基于遗传算法的冻土路基融沉可靠度指标和失效概率的计算方法。该法是一种全局优化算法,能有效克服传统搜索算法易陷入局部极小值的缺点,不需要对功能函数进行直接转换,避免了功能函数比较复杂时所带来的求解困难,特别适合求解非线性规划问题。以青藏铁路冻土路基的具体实例,验证了本方法的准确性和有效性