機車荷載作用下青藏鐵路多年凍土區(qū)普通路基蠕變分析

多年凍土是青藏鐵路建設面臨的主要難題之一。在多年凍土地區(qū)的斜坡地帶往往發(fā)育有濕地等不良地質現(xiàn)象,對于路基修建的安全造成嚴重影響。描述了青藏鐵路多年凍土區(qū)dk1487+717～dk1487+880段的路基設計情況,總結了關于多年凍土斜坡濕地地段的路基設計體會。

本文主要利用青藏鐵路北麓河厚層地下冰試驗段中普通路基下部凍土溫度的監(jiān)測資料,對路基下部凍土溫度變化和熱收支特征進行了分析,并對修筑普通路基后多年凍土熱融蝕敏感性和熱穩(wěn)定性進行了計算。結果表明,修筑普通鐵路路基后,雖然多年凍土人為上限有較大幅度抬升,但原天然上限以下多年凍土溫度卻逐年升高,表現(xiàn)為顯著的吸熱狀態(tài)。同時凍土熱融蝕敏感性增強,凍土熱穩(wěn)定性下降,對路基熱穩(wěn)定性將產生較大的影響。

高溫高含冰量凍土地區(qū),青藏鐵路采取了冷卻路基、降低多年凍土溫度的工程措施.然而青藏鐵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凍土變化也是普遍關心的問題.根據(jù)青藏鐵路普通路基下部土體溫度監(jiān)測的近期結果,分析了季節(jié)凍土區(qū)、已退化多年凍土區(qū)和多年凍土區(qū)路基下部凍土變化特征.結果表明,不同區(qū)域修筑普通路基,其下部土體溫度、最大季節(jié)凍結深度、多年凍土上限等存在較大的差異.在季節(jié)凍土和已退化多年凍土區(qū),右路肩下部(陰坡)已形成凍土隔年層;在多年凍土強烈退化區(qū),其路基下部形成融化夾層;在高溫多年凍土區(qū),其路基下部上限存在抬升和下降,上限附近土體溫度有升高的趨勢.在低溫多年凍土區(qū),其路基下部上限全部抬升,上限附近土體存在"冷量"積累,有利于路基下部多年凍土熱穩(wěn)定性.因此,低溫多年凍土區(qū)修筑普通路基后,凍土變化基本是向著有利于路基穩(wěn)定性的方向發(fā)展,在其它地段修筑普通路基,凍土變化是向著不利于路基穩(wěn)定性的方向發(fā)展的.特別是陰陽坡太陽輻射差異,導致了土體熱狀態(tài)和多年凍土上限形態(tài)產生較大的差異,這種差異將會對路基穩(wěn)定性產生一定的影響.

選取青藏鐵路多年凍土南界典型斷面,分析路基地溫在運營階段的變化特征,并對溫度場可能的變化趨勢進行推測:認為凍土區(qū)南界填筑路基影響了凍土天然地溫場,使人為上限降低,并造成陰陽坡的溫度場不均。因此,需要采用一定的補強措施來保障鐵路的安全運營。

青藏鐵路穿越550km多年凍土區(qū),多年凍土地溫、凍土類型以及沿線生態(tài)環(huán)境等存在較大的差異,使多年凍土區(qū)工程較為復雜。因此本文提出了凍土工程復雜性概念,建立凍土工程復雜性評價模型,并利用gis平臺對青藏鐵路沿線唐古拉山越嶺地段工程復雜性進行了分析和研究。研究結果表明,青藏鐵路穿越的唐古拉山越嶺地段工程復雜性相對較小,而青藏公路的工程復雜性相對較大。這表明了青藏公路沿線凍土工程比青藏鐵路沿線更為復雜,在各種因素的影響下,青藏公路路基穩(wěn)定性變化比青藏鐵路更加復雜。

研究目的:我國青藏鐵路的修建充分考慮了對多年凍土的保護,在路基熱防護措施中采用了熱棒路基,碎(片)石護坡、塊石護坡、片石氣冷等關鍵技術。文章對青藏鐵路各種路基新結構的地溫進行研究,通過地溫值計算得出最大融化深度,從各年最大融化深度的對比分析,研究這些措施對保護多年凍土,保證線路安全的作用。研究結論:通過對實測數(shù)據(jù)的分析得出熱防護措施能使路肩下最大融化深度減小。路基新結構的應用對保護多年凍土、降低地溫、穩(wěn)定路基是有效的。

針對青藏鐵路運營以來多年凍土區(qū)出現(xiàn)的路基病害的類型劃分、形成原因及主控因素進行分析研究,提出青藏鐵路多年凍土區(qū)橋頭路基存在的病害問題、主要影響因素及橋頭路基病害治理工程措施,并對多年凍土區(qū)路基工程熱穩(wěn)定性變化趨勢進行預測。

通過對青藏高原氣候變化預測情況的認識,采用數(shù)值模擬計算,對兩種不同升溫條件下多年凍土區(qū)的熱狀況及對年凍土退化范圍進行了預測,并據(jù)此提出了氣候變化背景下多年凍土區(qū)路基工程的總體設計原則。對升溫條件下多年凍土區(qū)路基工程的穩(wěn)定性進行了分析,總結了氣候變化對青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程的影響。

結合青藏鐵路施工實踐,介紹多年凍土區(qū)高含冰量凍土路塹的設計特點、工程爆破設計、施工準備及施工方法。工作的重點是力求避免引發(fā)熱融滑坍

在全球氣候變暖的背景下,青藏鐵路沿線多年凍土目前處于退化狀態(tài),凍土退化將會對線路的穩(wěn)定性產生影響,為解決這一問題,收集青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)凍土上限的觀測數(shù)據(jù),并比較2007年和2015年的數(shù)據(jù),分析填土路基斷面凍土上限特征,探討減緩路基工程變形的工程措施。結果表明:青藏鐵路多年凍土區(qū)填土路基人為上限有所抬升；由于線路存在左右側陰陽坡的差異,致使兩側路肩以下人為上限形態(tài)差異性更加明顯,并且凍土升溫退化顯著；對于青藏鐵路多年凍土區(qū)路基,在工程邊坡鋪設碎石有助于應對氣候變化引起的多年凍土退化導致的路基工程變形問題。

通過對青藏鐵路多年凍土區(qū)長期監(jiān)測系統(tǒng)多年來的大量實測數(shù)據(jù)進行分析,研究了青藏鐵路路基下多年凍土演化特征及規(guī)律。研究結果表明:青藏鐵路沿線氣溫逐年升高,降水量、凍結指數(shù)和融化指數(shù)逐年增大,暖冬現(xiàn)象明顯,地表溫度年升高率達到0.06℃/年；沿線多年凍土區(qū)2007—2013年間凍土天然上限下移的達91%,不同深度處的地溫整體處于升溫狀態(tài)；青藏鐵路路基下多年凍土也發(fā)生了升溫退化,在2007年凍土人工上限相對原天然上限均抬升的占81%,路基下多年凍土退化明顯滯后于天然場地；片石路基、熱棒路基等主動降溫措施效果明顯,保證了青藏鐵路多年凍土路基工程的穩(wěn)定。

基于埋設在青藏鐵路清水河地區(qū)路基中兩個斷面內的共8個地溫測試孔3年來的地溫觀測資料,研究了該地區(qū)鐵路路基下伏高原多年凍土融化特征,分析了多年凍土上限的變化規(guī)律以及填筑鐵路路基施工對下伏多年凍土賦存條件的影響。研究表明,由于受到填筑路基時賦存在路基填料內的熱量的影響,鐵路路基下伏多年凍土近地表的地溫變化特征與天然地面下的多年凍土的地溫變化特征有明顯的不同,且向陽面與被陰面差別較大。多年凍土的上限在施工初期會有一個明顯的下移沉降,隨著時間的推移,雖然殘存在路基中的熱量逐漸消散,多年凍土上限下降會逐漸穩(wěn)定。由于受到太陽輻射和路基邊坡形狀及融化夾層的影響,多年凍土上限會逐漸穩(wěn)定,但不會在短時期內上升到天然地面下多年凍土的上限水平。

研究目的:分析青藏鐵路施工區(qū)多年凍土上限的變化規(guī)律以及填筑鐵路路基施工對下伏多年凍土賦存條件的影響。研究方法:系統(tǒng)分析埋設在青藏鐵路清水河地區(qū)路基中2個斷面內的共8個地溫測試孔3年來采集的地溫觀測資料,研究該地區(qū)鐵路路基下伏高原多年凍土融化特征。研究結論:由于受到填筑路基時賦存在路基填料內的熱量的影響,鐵路路基下伏多年凍土近地表的地溫變化特征與天然地面下的多年凍土的地溫變化特征有明顯的不同,且向陽面與被陰面差別較大。多年凍士的上限在施工初期會有一個明顯的下移沉降,隨著時間的推移,雖然殘存在路基中的熱量逐漸消散,多年凍土上限下降會逐漸穩(wěn)定,但由于受到太陽輻射和路基邊坡形狀及融化夾層的影響,多年凍土上限會逐漸穩(wěn)定,但不會在短時期內上升到天然地面下多年凍土的上限水平。

基于青藏鐵路北麓河試驗段兩個監(jiān)測斷面的地溫監(jiān)測資料,分析了修筑高路基后下伏土層的熱狀況變化特征。結果表明,修筑高路基后,多年凍土上限有所抬升,而下伏土層地溫明顯升高。多年凍土上限的抬升主要是由于高路基的熱阻效應導致上限附近土層溫度變幅急劇減小而形成的。高路基的修筑會引起路基陰陽面熱交換狀態(tài)的明顯差異,路基陽面邊坡是最強烈的吸熱面,而路基陰面邊坡表現(xiàn)為放熱效應,由此會形成下伏多年凍土融化狀態(tài)的不同

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結合熱棒在青藏鐵路多年凍土區(qū)路基中的應用，介紹了熱棒的工作原理、作用，分析了熱棒在施工中的技術要求，實踐證明，應用熱棒解決了基礎凍脹、融沉等熱力過程中的許多問題，保障了多年凍土地區(qū)地基的穩(wěn)定。

基于青藏鐵路楚瑪爾河試驗段10年(2003~2013)的地溫監(jiān)測資料,對青藏鐵路4種典型路基結構的長期熱狀況進行了對比分析.結果表明,不同路基結構的長期熱狀況表現(xiàn)出較大的差異.普通路基與塊石基底路基地溫場存在明顯的不對稱分布,表明以上兩種路基結構不利于路基的長期熱穩(wěn)定.但塊石護坡路基與u型塊石路基的地溫場分布則表現(xiàn)出了較好的對稱性.盡管塊石護坡路基下淺層凍土地溫存在一定的降溫過程,但深層多年凍土卻呈現(xiàn)出緩慢升溫趨勢,顯示u型塊石路基的熱穩(wěn)定性要優(yōu)于塊石護坡路基.被監(jiān)測的4種路基結構中,u型塊石路基在降低多年凍土溫度與提高路基地溫場對稱性方面表現(xiàn)出了最佳的長期效應.基于青藏鐵路10年的監(jiān)測結果,充分肯定了主動冷卻路基設計思路在保護凍土路基長期熱穩(wěn)定性方面的有效性,同時采用冷卻路基技術的青藏鐵路也達到了時速100kmh?1的設計要求.盡管如此,由于坡向效應所導致的路基左右路肩下的熱差異存在于所有監(jiān)測的路基結構中,但不同結構的熱差異幅度不同,并將可能導致路基發(fā)生潛在的非均勻性沉降變形,因此需要在后續(xù)的維護工程中進行調整.

通過對青藏鐵路清水河段站場路基的初步試驗,獲取了地溫變形數(shù)據(jù),探討站場路基的凍結和融化過程的規(guī)律.實驗表明:站場路基下凍土人為上限發(fā)生了上移,多年凍土得到了保護,為類似路段多年凍土工程提供借鑒.

橋頭路基的變形問題是普遍存在的影響凍土區(qū)道路工程穩(wěn)定的技術難題,結合青藏鐵路多年凍土區(qū)橋頭路基的變形問題,采用資料調研、現(xiàn)場調查、理論分析和總結等研究手段,對運營后多年凍土區(qū)橋頭路基變形的特征及沉降原因進行分析研究,提出了通過改善地基多年凍土環(huán)境和優(yōu)化橋頭路基防排水系統(tǒng)等措施對橋頭路基病害進行治理的方法。

針對青藏鐵路特有的"高原"和"凍土"問題,闡述了多年凍土區(qū)路基設計原則和對路堤、路塹、支擋工程、取土、棄土、環(huán)境保護等方面的施工工藝和注意問題。

介紹青藏鐵路多年凍土區(qū)擋水埝設計原理及施工方法,工藝操作簡單,對質量、進度及環(huán)保的控制效果好。

介紹了在特殊的多年凍土施工環(huán)境中青藏鐵路路基工程施工中的一些特殊加強措施,以及施工中需要注意的一些問題。