（地质工程专业论文）青藏铁路安多段片石通风路基形态与温度场研究.pdf

中文摘要 片石通风路基是一种主动保护多年冻土的工程措施，以片石及内部空气作为 热传导和热对流介质而主动调控地温，己在青藏铁路建设中得到了广泛的应用和 研究。而在多年冻土区内斜坡地段的片石路基尚未引起足够的重视，本文以青藏 铁路安多段斜坡片石路基试验段为研究背景，通过分析比较试验段天然地温场和 路基地温场的特征，研究倾斜式片石路基的工作机理和致冷效果。在全球气温变 暖的大气候环境背景下，模拟及预测了该试验段片石通风路基2 0 年内的地温变化 特征，并改变片石路基厚度和倾角等设计参数，分析不同参数下片石斜坡路基的 致冷效果，提供较经济、合理的参数。通过对以上工作的研究，得到如下结论： 1 随着时间的增加，片石通风路基主动降温效果明显，片石通风路基在阴阳 坡地温存在差异，阳面地温比阴面地温相对较高，可造成路基不均匀融沉； 2 考虑气候变暖的影响，利用所建模型对片石路基修筑后2 0 年的温度场变 化进行预测表明：片石路基左、右路肩及中心最大融化深度基本不变，但阳面边 坡坡脚下最大融化深度呈下降趋势，这会对路基的稳定性带来不利影响，需要采 取其他措施进行补强； 3 片石层厚度的变化对冻土的上限位置抬升幅度存在影响，地基中冻土上限 的抬升幅度总体表现为随片石层厚度的增加而增加，体现出片石层内空气对流换 热的作用，有利于对地基的制冷，但是随着片石厚度的增加，片石层顶底温度梯 度减小。综合从工程经济、施工便利及减小暖季风力作用下片石层内空气的受迫 对流，达到保护冻土的目的，1 2 m 厚的片石已达到要求； 4 片石层的倾角变化对冻土的上限位置抬升幅度存在影响，片石层项底部的 温度大致呈现正弦变化规律，说明外界气温变化影响冻土内部的温度变化，并且 有相同的变化趋势；此外，地面坡角也影响片石通风路基的作用效果，倾角越大， 降温效果越好，但是温度梯度减小。此外，片石层倾角过大，不利于路基的稳定 和温度场分布的对称性。实际的倾角尺寸适应了当地的地形而且没有造成不利的 温度场分布。 关键词：青藏铁路：多年冻土；倾斜式片石通风路基；地温场；数值模拟 分类号：u 4 1 ；t u 2 4 8 6 j e 塞銮遵太堂硒堂焦论塞 旦s 至8 ! a b s t r a ( 了r r u b b l ev e n t i i a t i o ne m b a n k m e n tw o r k sa sak i n do fe f f e c t i v em e a s u r e sf o r p r o v i d i n ga c t i v ep r o t e c tf o rp e r m a f r o s t ，a n dw h i c h a l s ot a k e sr i p r a pa n di n t e r i o ra i ra s m e d i u mo ft h e r m a ic o n v e c t i o na n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y , h a sb e e nw i d e l ys t u d i e da n d u s e di nt h ec o n g t r a c t i o no ft h eq i n g h a i t i b e tr a i l w a y n e v e r t h e l e s s ，t h er u b b l e v e n t i l a t i o ne m b a n k m e n to i ls l o p ez o n eh a sn o tb e e nt a k e ns e r i o u s l y , s ot h i sa r t i c l e s t u d i e sm e c h a n i s ma n dr e f r i g e r a t i o no ns l o p i n gr a b b l ee m b a n k m e mb ya n a l y z i n ga n d c o m p a r i n gn a t u r a la n de m b a n k m e n tg e o t h e r m a lf i c l dc h a r a c t e r i s t i c sa te x p e r i m e n t a l a n d os e c t i o n w es i m u l a t e da n dp r e d i c t e dg e o t h e r m a lf i e l dc h a r a c t e r i s t i c si nt h e f u t u r e2 0y e a r s a n da n a l y z e dd i l i e r e n tr e f r i g e r a t i o ne f f e c to fd i f f e r e n tt h i c k n e s sa s w e l la ss l o p ea l l g l e ，t op r o v i d em o r ee c o n o m i c a la n dp r o p e rp a r a m e t e r s w eo b t a i n c o n c l u s i o na sf o 1 0 w s ： 1 w i t ht i m ei n c r e a s e s 。r u b b l ev e n t i l a t i o ne m b a n k m e n ts h o w s a p p a r e n t r e f r i g e r a t i o ne r i e c ta n dd i f f e r e n c eb e t w e e ns h a d ys l o p ea n ds u n n ys l o p e ，g e o t h e r m a l t e m p e r a t u r e a ts u n n ys l o p ei sr e l a t i v e l yh i g h e ft h a nw h i c ha ts h a d ys l o p e i tm a yl e a d t on o n - u n i f o r mm e l ts e t t l e m e n td e f o r m a t i o n ： 2 c o n s i d e r i n gt h ee f f e c tf r o mg l o b ew a r m i n g , w e 眦o u rm o d e lt op r e d i c tt h e t e m p e r a t u r ef i e l dv a r i a t i o no fa c c o m p l i s h e dr u b b l ee m b a n k m e n ta f t e r2 0y e a r s ，a n di t i n d i c a t e st h a tt h el e f ta n dr i g h ts h o u l d e ra n dt h ec e n t r a lm a x i m u mt h a w i n gd e p t h a l m o s ti n v a r i a b l e , b u tt h em a x i m u mt h a w i n gd e p t ha tf o o to fs u n n ys l o p ep r e s e n t d o w n t r e n dw h i c he o u l db r i n ga d v e r s ei n f l u e n c et oi n s t a b i l i t yo fe m b a n k m e n t ，a n dw e n e e dt ot a k eo t h e rm e a s u r e st 9s t r e n g t h e ni t ； 3 v a r i a t i o no ft h i c k n e s sh a sa ne f f e c to nl i f t i n gm a g n i t u d eo fp e r m a f r o s tt a b l e ， a n dp e r m a f r o s tt a b l ei l l c r e a s c sw i t ht h i c k n e a so fm b b l el a y e r s , s h o w sh e a tc o n v e c t i o n t h ea i ri nt h el a y e r sw o r k sa n db ef a v o r a b l ef o rr e f r i g e r a t i o n ，b u tw i t ht h ei n c r e a s eo f t h i c k n e s s t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n td e c r e a s e s t h ct h i c k n e s so f1 2 mi so k a yf r o mt h e p u r p o s eo fe c o n o m i c a lp r o j e c t , e n g i n e e r i n gc o n v e n i e n c e , p e r m a f r o s tp r o t e c t i o na n d d e c r e a s i n gf o r c e dc o n v e c t i o nf r o mt h ee f f e c to f w a l ms e a s o nw i n d ； 4 v a r i a t i o no fs l o p ea n g l eh a sa ne f f e c to nt i f f i n gm a g n i t u d eo fp e r m a f r o s tt a b l e ， t o p sa n db o t t o n l ao fr u b b l el a y e r sa p p r o x i m a t e l yp r e s e n ts i n ev a r i a t i o np r i n c i p l e s ，i t i n d i c a t e st h a to u t s d et e m p e r a t u r ev a r i a t i o nc h a n g e si n s i d ep e r m a f r o s tt e m p e r a t u r e a n dt h e yh a v eas a m et e n d e n c y f u r t h e r m o r e , s l o p ea n g l ea l s oh a sa ne f f e c to n e m b a n k m e n t ，t h eb i g g e ra n g l ei th a s ，i ts h o w sb e t t e rr e f r i g e r a t i o ne f f e c t , b u t t e m p e r a t u r eg r a d i e n td o c 代螂i na d d i t i o n , aw a y s l a n ts l o p eg o e sa g a i n s ts t a b i l i t y a n dd i s t n b u t e ds y m m e t r yo fg e o t h e r m a l 丘e i 正t h ca c t u a ls l o p ea n g l ei ss u i t a b l ef o r l o c a lt e r r a i na n dn oa d v e r s eg e o t h e r m a lf i e l dh a sa f i s e m k e y w o r d s ：q i n g h a i - t i b e tr a i l w a y ：p e r m a f r o s t ；s l o p i n gr u b b l el a y e re m b a n k m e n t ； g r o u n dt e m p e r a t u r ef i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c l a s s n o ：u 4 1 ；t u 2 4 8 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 谆嚼耖 签字日期。秒年胗月7 日 导师签名： 签字日期：夕哕年历月矿日 韭立杰直隧兰堑t ：! 位诠童 独剑娃虚明 独创- 性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位敝储张卑彩签字隰枷7 年，硐7 日 致谢 在本文完成之际，首先我要感谢我的导师王连俊教授，两年多来对我的学习、 工作和生活上的关心、帮助与支持。王老师在我两年半的硕士学习期间花费了大 量的心血和时间给予指导，经常关心询问我的学习和论文情况，耐心指导，及时 提出了一些宝贵的意见和建议。王老师耐心细致地给我讲解了与本论文内容有关 的许多细节问题；在野外工作中，也给予了我诸多实践指导。他渊博的知识、严 谨的治学作风和求实的科学态度，让我受益终生。在此论文完成之际，我谨向老 师表示我衷心的感谢和诚挚的敬意。 在我两年半的学习生活中，无论在室内还是野外，都得到了沈宇鹏老师的热 忱帮助，他曾先后多次关心我的学习，并且和我讨论论文有关问题，提出许多宝 贵的真诚的指导意见，并且为本文的完成做了大量的前期工作，在此，深表谢意。 刘世海老师，倪永军老师，王勐老师，白明洲老师在本人学习和生活上给予了许 多热心的支持和帮助；杨成永老师在论文开题阶段也提出了很多宝贵意见；张鲁 新教授为我的论文资料获得和分析提供了诸多方便；中铁西北院的先积贤，安多 监测的夏金权在本人现场参与工程期间提供诸多帮助；师兄宋景振硕士，孟雷硕 士，薛强硕士，姜龙博士都同本人参与了大量现场工程，对本文数据的获取做出 了贡献，此外几位师兄在生活上也给了我无私的帮助，在此深表谢意。学友赵文 杰硕士、刘李硕士、叶宇翔硕士等在我的学习生活中，给予了很多支持与帮助， 在此一并致谢。 另外也感谢父母及家人的支持和帮助，使我完成学业。 总之，没有导师的精心指导，各位老师同学的关心和帮助，以及家人的支持， 就不会完成学业以及本论文，最后再次衷心地向以上各位表示诚挚的感谢 1 1 研究背景 第一章绪论 青藏高原多年冻土分布的最大特点是具有垂直分布地带性，以山系为中心， 冻土的地温最低，厚度最大，向外辐射温度逐渐升高，多年冻土厚度减小，由大 片连续分布多年冻土过渡到片状分布多年冻土，岛状多年冻土直至季节冻土。和 国内外冻土工程相比，青藏铁路冻土工程的特点和难点可概括为以下几点： ( 1 ) 热稳定性差 青藏铁路通过的多年冻土大多属于高温不稳定和高温极不稳定多年冻土。勘 察结果表明，铁路通过的高温极不稳定多年冻土区长1 9 9 7 k i n ，约占连续多年冻土 区总长的3 6 3 、高温不稳定多年冻土累计7 4 5 k m ，占连续多年冻土区总长的 1 3 5 ，冻土的稳定性比国内外其他地区多年冻土差【1 2 1 。 ( 2 ) 含冰量高 厚层地下冰和高含冰量冻土所占比重大，高含冰量冻土段累积长2 2 3 k m ，其 中厚层地下冰和含土冰层累积长度5 7 2 k m 地下冰是影响冻土路基稳定的最为重 要的影响之一，是产生冻融灾害或者不良冻土现象的根本问题。而且厚层地下冰 和高含冰量冻土多位于上限附近，修筑路基后受自然和人为因素影响引起多年冻 土上限变化更容易造成地下冰融化，导致路基产生较大的融沉破坏对于其他类 型工程建筑物来说，比如桥涵、路堑、高边坡等，高含冰量冻土的影响也是极为 关键的问题。 ( 3 ) 影响因素复杂 与冻融过程有关的不良冻土现象，当它们威胁到铁路安全运营和工程稳定性 时，就演变为一种工程灾害。这种工程灾害主要与地下冰、冻融过程和冻土温度 有关。特别是在高含冰量和高温的多年冻土的斜坡地带，微弱的工程热扰动可能 就会引起冻土区斜坡路基稳定性变化。斜坡地段出现的冰椎、冰丘、延流冰，对 工程的危害非常之大，常会导致铁路运营出现安全问题路基附近出现的冰椎、 冰丘，常会引起路基产生冻胀问题。 与冻土工程稳定性有关的影响因素更多，不仅要考虑多年冻土问题，还要考 虑与之有关的高原环境变化和全球气温变化对多年冻土工程设计和施工的影响【3 1 ，同时还应考虑影响冻土工程稳定性的风沙等特殊问题 铁路建筑是百年大计，必须考虑全球转暖的影响。i p c c 2 0 0 1 年发布的预测称 j b 塞銮逼太堂亟堂僮论童 “全球表面温度预计在1 9 9 0 2 1 0 0 年间升高1 4 5 8 c ”【虽6 1 。青臧高原是全球变化 的“启动器”和“放大器”，其升温更早于和高于全球平均值。因此，高温冻土加全球 气温变化使青藏高原铁路的修筑面临着严峻的挑战。近年来，青减公路沿线冻土 退化已被诸多的研究结果所证实。青藏公路沿线冻土地温监测结果表明，7 0 年代 到9 0 年代青藏公路沿线的季节冻土、融区及岛状多年冻土区的地温升高了0 3 0 5 ，连续多年冻土区年平均地温升高了0 1 0 y c 。天然状态下北界向南退化 0 5 1 o k m ，南界向北退化l 2 k m 。在工程作用下，多年冻土北界向南退化约5 8 k m ，南界向北退化约9 1 2 k m 。数值模拟和区域模拟结果也证实了在气候转暖背 景下多年冻土会发生强烈的变化。气温的升高直接影响冻土工程环境，对于正在 运营的建筑物，将增大冻害的破坏强度和数量，而对于拟建的建筑物，这种不稳 定的寒区工程环境将增大建筑物设计原则的选取及冻土稳定性的确定的难度，使 寒区建筑物的工程设计面临着较大的研究工作量。对于青藏铁路来说，冻土退化、 年平均地温升高、地下冰融化、多年冻土厚度减薄等都会直接影响和威胁青藏铁 路稳定性。对于多年冻土年平均地温为o _ 0 5 1 2 、- 0 5 1 o c 极不稳定和不稳定 地温带来说，特别是这些地温带中高含冰量地段，可能出现多年冻土退化乃至消 失，将会引起路基下沉破坏、桥基失稳，给青藏铁路修建、运营，维修带来了更 大难度。 结合世界上在多年冻土区修筑铁路的百年历史及青藏铁路面临的冻土问题， 在青藏铁路设计、施工、运营全过程中，冻土工程问题的核心在于控制变形，控 制变形的主要技术手段在于控制基底多年冻土的地温。在目前全球气候变暖、气 温升高这一趋势下，针对青藏高原的特殊自然条件，应从路基结构本身出发，创 造有利于多年冻土生存或发育的条件，以阻止或减少由于冻土融沉而引起的路基 变形。根据多方面研究成果和广泛借鉴吸收国内外成功经验，我国科技工作者创 造性地研究了解决冻土工程难题的相应对策，在国际上首次系统地提出了积极主 动保护多年冻土、冷却路基新思路，为解决高温、高含冰量路基稳定性技术难题 提供科学依据青藏铁路设计和建设部门充分考虑这一新思路，从青藏铁路工程 设计之初采用增加路基高度和铺设保温材料等措施，隔断或减少外界进入路基下 部的热量的被动保护多年冻土措施及延缓多年冻土融化为主导的设计原则和思 路，已逐步转变为主动冷却路基、积极保护多年冻土的工程设计原则和思路即， 根据不同冻土条件、地质条件及水文条件选择适宜的保护多年冻土方案，采取各 种综合措施对路基下地温场进行调控，控制热量蓄积及其传输和进行人工冷却， 以确保工程的稳定在多年冻土工程设计上实现了“三大转变”，即：对冻土环境分 析由静态转变为动态；对冻土保护由被动保温转变为主动降温；对冻土治理由单 一措施转变为多管齐下，综合旄治。这些转变对搞好多年冻土工程建设具有十分 2 重要的作用。目前青藏铁路冻土区路基主要采取的措施有：片石通风路基、片( 碎) 石通风护坡、热棒冷却技术、隔热材料及其组合形式等，堪称集世界冻土工程措 施于一身。 纵观国内外多年冻土区的各种工程现状，片石通风路基作为主动降温，保护 多年冻土的工程措施，在不同国家。不同冻土条件下进行过一些应用和研究，也 取得了比较好的效果，但一般都限于在水平地面上铺设片( 碎) 石层的工程措施。 对在斜坡地段修建片石通风路基的研究还不多见。而就其应用于世界海拔最高的 高原铁路一青藏铁路建设而言，该措施的工作原理、与多年冻土相互作用机理尚 缺乏较明确与定量化的结论，并且对于不同的片石层形式与路基温度场的关系也 没有明确的结论。因此，对于全球气候背景下，全面系统分析青藏铁路冻土工程 问题的动态变化对铁路建筑物稳定性、冻土热稳定性的影响，分析片石通风路基 与冻土间相互作用、相互影响关系及其对未来发展变化趋势进行预测预报研究， 对工程建设质量保障和运营中有可能发生的问题提前预报，保证线路安全畅通是 十分必要的，也是十分重要的。 1 2 国内外关于片石通风路基的研究现状 1 2 1 片石通风路基试验分析研究现状 片石通风路基结构在国内外多年冻土区的应用已有相关报道。早在2 0 世纪3 0 年代，前苏联就曾应用于多年冻土地区沼泽湿地地带等级较低的铁路线，作为一 种捧水建筑物称“渗水路基”，在某些地段用以代替小桥涵。从7 0 年代起，就不限 制应用的铁路等级，认为应取决于具体的自然条件和实际效果，它还可以和涵洞 结合使用俄罗斯西伯利亚贝阿( b a i k a l - a m o u r - m a i n l i n e ) 铁路路基工程中采用大 片石作为路基填料来维持冻土上限的热平衡，保持冻土上限位置或促使上限上升， 取得了良好的效果”“j h a r r i s 在中国昆仑山垭口两年( 1 9 9 l 1 9 9 3 ) 的地温监测过程中发现，片石层 下年平均地温要比邻近细粒土下地温低7 i c ，其中片石层厚度为1 5 c m ，块径不 详。他认为产生这种温差的主要原因是暖季片石层中空气的绝热作用以及冷季片 石层下土体具有较高的导热系数。随后h a r r i s 等又在加拿大a l b e r t a 山地高原上对 矿物土与片石下地温状态进行两年( 1 9 9 4 1 9 9 6 ) 的观测，对比分析发现片石下 年平均地温比矿物土下低4 7 1 2 ，其中片石块径大于2 5 c m ，片石厚度不详 在我国，1 9 6 0 年，铁道部青藏铁路工程局高原科学技术研究所( 中铁西北科 学研究院的前身) 为解决青藏铁路多年冻土区的筑路问题，在青藏高原风火山厚 3 j e 塞窑亟盘堂亟堂位论塞 层地下冰段进行路堑开挖试验，将路基换填成粗颗粒的块石，试验路基顶面宽度 7 4 m ，长4 0 m 。碎石层厚度平均1 2 3 m 。碎石为风火山紫色铁质胶结细砂岩，块径 5 8 c m 。试验工程的目的是研究厚层地下冰地段路堑边坡及基底处理方法，为设 计提供依据。试验段完成后4 年路基处于稳定状态。对比块石层与天然状态下地 温发现，在暖季块石层下地温较天然状态低0 4 3 ；而在寒季温差可达7 2 ，片 ( 块) 石层在寒季的当量导热系数是暖季当量导热系数的5 1 0 倍甚至更多6 ”j ， 根据h e g u i s h e n gc ta 1 i l 叫观测结果，由表面融化时的融化指数和表面冻结时的冻 结系数可得到块石层的有效导热系数在冬季是夏季的1 2 2 倍i l “。 1 9 r 7 3 年，中国科学院冰川冻土研究所在青海省祁连山南麓的热水地区修筑了 块石通风路基护坡，同时还修建了亚粘土试验路基作为对比段。试验路基于1 9 7 3 年5 月动工修筑，7 月下旬竣工。试验路基东西长l l m ，南北宽7 5 m ，堤高2 7 m ， 路基底部用0 5 m 厚的亚粘土直接覆盖在草皮上，主体为直径大于3 0 c m 的块片石 状砂岩干砌而成，堤顶铺盖一层0 1 5 m 厚的小砾石。经过1 年的观测发现，块石 通风路基4 m 以下的地温较对比段路基的地温低2 ，并且块石通风路基下多年冻 土上限抬升幅度较大o “j 。黑龙江西北部苔草泥炭沼泽区3 2 m 高的块石路基试验 研究表明，块石通风路基基底任一截面的年平均地温比同一截面的天然土层的地 温低0 9 1 7 【1 8 1 。 1 9 9 9 年，中铁西北科学研究院在风火山冻土试验路基修筑了碎石层护坡试验 段，通过现场观测结果看，由于是单面铺设，多年冻土路基中心处的上限抬升不 大。并不能达到理想的效果，但是，碎石护坡对保护多年冻土边坡的稳定性起到 了很好的保护作用，能够在一定程度上抬升多年冻土上限，有效减小路面冻融振 幅。 2 0 世纪9 0 年代末期，为配合青藏铁路设计施工，中国科学院冻土工程国家重 点实验室进行了块石层与碎石层降温效果的室内试验研究。j ，对边界温度周期 性波动及一定风速条件下块石层和片石层的降温效果进行了分析。模型试验研究 包括开放系统与封闭系统下块石试样内部的热传输机理，块径对多年冻土地区块 石路基降温效果的影响等，结果表明，开放系统条件下，边界温度周期波动条件 下，块石体温度场具有3 个特征：块石体内温度随时间变化的不对称性、随深度 变化的迟缓性及块石体的平均温度低于其表面平均温度，表明其中热传导和对流 换热机制并存。当块径4 6 c m 降温效果最佳，单一块径的降温效果比混合块径降 温效果显著，块石层的铺设位置应在保证力学稳定性的前提下，尽量接近地面： 封闭系统下，块石体内温度场的温度随时间变化具有对称性、随深度变化符合傅 立叶第一定律及块石体平均温度高于其表面平均温度的特征，表明其中热传导是 主要换热机制。当环境平均温度为正值时，存在一个最佳降温的粒径范围，该范 4 围为? j ) 3 0 c m 。对于块石的热扩散系数和导热系数的实验研究表明，粒径较小的 块石试样其热扩散系数和导热系数也较小，开放系统的试样由于传热形式不单一 而不利于热扩散系数和导热系数的精确测定，而封闭系统试样内部的传热系数以 热传导为主，因此，可用封闭系统的细长圆柱试样来测试路基、护坡块石的热扩 散系数和导热系数【2 6 , 2 叮j 。 1 2 2 片石通风路基数值模拟分析研究现状 研究冻土工程的一种有效手段是建立物理与数学模型，通过数值模拟探索与 了解在不同气象、地质、水文、地表覆盖及建筑物工程条件下，地基冻结时的地 温动态等。这种研究比实地观测灵活，能大大缩短研究周期，预测各种条件变化 后可能出现的因果关系。但是，这些模型的数值模拟结果，必须用现场实地观测 结果进行验证l 删 对于冻土的数值模拟研究，国内外科研机构从上世纪初到目前为止已开展了 大量的研究工作m 删，对铁路、公路、水利、矿山、建筑、水利等工程建设中的 问题进行了理论数值分析工作，为推动冻土力学、冻土热学等理论的发展及工程 适用性提供了依据。 对于冻土路基方面的数值分析，美国g o e r l “g 在1 9 9 6 年完成了对a c e 路基的 数值模拟计算，采用了非稳态有限元模型，边界条件及地基土特性均采用当地情 况，结果表明2 5 年后片石路基下年平均温度要比普通路基下低5 0 左右，其中路 基高度( 即片石层厚度) 2 5 m ，平均块径3 c m ，孔隙率为4 0 2 0 0 0 年g o e r i n g 等进行了片石层热状态分析的室内模型试验及其数值模拟计算，并且三维数值模 型结果与试验结果相吻合2 0 0 3 年又完成了类似的数值计算，片石厚度2 5 m ，平 均块径5 7 5 c m ，孔隙率为3 5 ，结果表明2 1 年后片石层上下界面温度差可达6 左右。在分析中，通过冷季片石路基中温度场及空气流速矢量图来强调片石路基 的冷却效果。 本世纪初，中科院寒旱所在块石路基护坡冷却机理理论分析方面，根据多孔 介质中流体热对流的连续性方程，引入流函数并应用g o o f i n g l 4 9 法导出了多孔介质 对流换热的有限元公式，对普通路基、抛石护坡路基和抛石路基的温度场进行了 分析，推动了片石路基的对流效应理论研究的发展，对多年冻土工程的稳定分析 提供了地温变化方面的依据姜凡等i l 叫应用有限体积法对块石路基内的温度与速 度特性进行了数值计算分析计算结果表明块石路基的热稳定性较好在对块石 路基内的块石层计算中采用了“块石”与“多孔介质”模型。两种模型计算的块石层内 空气速度场在冬季都呈现一个逆时针旋涡，在夏季则是顺时针旋涡由于块石模 5 韭立交逼盔堂亟堂焦盈塞 型计算的速度更加直接地反映了块石空隙中空气的真实速度，所以其计算结果大 于多孔介质模型计算的速度。采用块石模型计算出路基内的整体温度略低于采用 多孔介质模型计算结果p 。以上的计算结果还需要现场试验进行验证。 利用片石作为青藏铁路多年冻土区路基材料，具有降低地温的效果，是一种 保护路基稳定的有效措施，这已被室内外试验和理论分析证实阱。“。但是，在长 期条件下，其效果如何，应采取什么防范措施是一个十分重要的问题【) 斗j 。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【5 5 , 5 6 1 。 赖远明掣“1 对传统道碴路基和块石路基在未来5 0 年青藏高原气温上升2 0 情况下的温度变化进行了预测分析，计算结果表明块石路基除了能抵消气候变暖 的影响外，片石路基对下伏土体具有冷却降温的作用，可以保证冻土路基的稳定。 米隆等1 ) 妒叫也对普通道砟路基和块石路基的温度场进行了分析比较，计算结果表 明块石路基能降低冻土路基的温度。孙志忠州, t ) l j 根据测试资料，对两种不同粒径 块石层下地温状况给予了初步的分析。分析表明，暖季碎石层热屏蔽作用要好于 片石层，而冷季片石层对流作用要强于碎石层。块石层阴阳面下地温分布具有不 对称性。后来赖远明通过室内试验研究了抛石路基在封闭条件下的降温效果以模 拟路基附近受到风沙或积雪掩埋后的状态，试验为抛石路基降温效果的长期可靠 性问题提供了试验依据。 1 3 片石通风路基研究工作存在的问题 综合国内外片石通风路基的研究现状陴州壤明，片石通风路基措施在理论和 应用上存在的主要问题有： ( 1 ) 由于已有的国内外片石通风路基工程试验条件和结构断面不同，得到的 观测结果各不相同，目前还没有形成比较成熟的对温度场特性进行分析和预测的 理论计算模型。 ( 2 ) 片石通风路基作为一种主动保护冻土的路基形式，目前已经得到了广泛 应用，针对这种结构形式降温效果的研究目前比较多，但是都是针对水平路基的， 片石通风路基在斜坡路基中的适用性还没有具体研究的先例。 ( 3 ) 采用片石通风路基的结构形式，目前还没有发现综合分析倾填片石层的 厚度，片石层的倾角对温度场分布的影响；对于合适的片石层厚度对温度场分布 的影响有一些人做过研究，但是对于片石层倾角对温度场分布的研究分析目前还 没有发现。 6 笙= 童绪论 1 4 研究目的，研究内容及研究方法 1 4 1 研究目的 通过对多年冻土地区片石通风路基的研究，要达到以下目的： ( 1 ) 利用实测数据对片石通风路基的温度场特性进行分析： ( 2 ) 数值模拟分析不同片石层厚度条件下，片石通风路基温度场分布特征； ( 3 ) 数值模拟分析不同片石层坡角条件下，片石通风路基温度场分布特征； ( 4 ) 利用分析结果给出最佳的片石层设计参数 ( 5 ) 数值模拟分析在全球气候转暖趋势下，片石通风路基温度场的发展趋势； ( 6 ) 分析片石通风路基温度场变化结果，为制定维护措施提供依据。 1 4 2 研究内容 本文选择了青藏铁路冻土区安多试验段路基断面进行分析研究，断面的路基 结构形式是片石通风路基，研究的内容主要包括下面几项： ( 1 ) 多年冻土地区片石通风路基的构造、工作原理和应用条件； ( 2 ) 对片石通风路基实体工程中一个断面在两个冻融循环观测期内的温度特 性进行分析：包括地温场特征，积温特征，冻融过程等； ( 3 ) 利用现场测试数据和室内外土工试验资料确定数值计算的边界条件和热 参数； ( 4 ) 利用建立的数值分析模型模拟温度场的变化，将数值计算结果与试验工 程现场测试资料对比和验证； ( 5 ) 研究不同斜坡坡角对片石通风路基温度场的影响；不同片石层厚度对片 石通风路基场的影响；并且找到最佳片石层设计参数； 6 ) 分析预测未来2 0 年内路基温度场的变化以对路基工程的稳定性的影响； ( 7 ) 给出结论以及相应的工程措施； 1 4 3 研究方法 本文采用理论分析，现场监测和数值计算相结合的研究方法基于现场试验 建立理论分析模型，将理论分析结果与现场测试结果做对比，同时分析在不同条 件下的温度场特征，找到最佳工程措旄，期望对实际工程能有实际的意义，具体 研究方法如下： 7 e 廛窑逼厶堂砸堂焦i 金塞 ( 1 ) 对国内外相关的科研成果进行收集，分析； ( 2 ) 收集整理试验段气象资料，调查试验段现场地质环境特征，通过钻探取 样、土石试验确定地层岩性和地质参数； ( 3 ) 分析两个冻融循环期监测数据； ( 4 ) 分析研究片石通风路基的工作原理： ( 5 ) 利用数值模型计算地温场特征以及变化趋势。 1 5 技术路线 研究对象： 倾斜片石通风路基降温效果 ( ：j 内外研究现乇! ) ，片石通风路基的构造、工作原蠢、 和应用条件 l 珧 _ 叫模型建立i场 试 理 验 论 - 叫参数选取i 数 分 据析 分 - - t 计算方法l 析 _ 。一 _ _ _ 乳立辘d 产害鼐j j j l 朦黼r i 、， l 倾斜片石通风最佳片石层设分析预测未来路l l 路基降温效果计参数基温度场的变化l 1 l ：二结论以及措施j 二) 8 筮三重 墨生盗地匡路基迢廑场的毖堕固蠢 第二章多年冻土地区路基温度场的影响因素 路基是经填筑、开挖后形成的具有一定几何形状、紧密依附于天然地层的带 状构造物，并与其基底的多年冻土层及以外一定范围内的士体形成的体系，共同 承担外部周围环境对其施加的自然力的影响。因而，影响多年冻土地区路基温度 场的因素是极其复杂的，主要有三个方面：外部气候条件、冻土内在因素、铁路 工程特点。 2 1 外部气候条件【8 】 外部气候条件是路基体系所处的自然环境，包括年平均气温、太阳辐射状况、 风速、风向、大气降水、降雪、蒸发等。青藏铁路所经的高原冻土区深居大陆内 部，远离海洋，除唐古拉山以南部分地区受印度洋海洋气候影响以及北部受柴达 木内陆干旱气候影响外，绝大部分处于高原腹地，呈高寒大陆性气候，且随海拔 增高气候垂直分布明显。气候寒冷干燥，空气稀薄、日照时间长，太阳辐射异常 强烈。一年内冰冻期可长达7 8 个月，蒸发量远远大于降水量。降水季节分配极 不均匀，5 9 月降水集中，可占全年降水量9 0 以上。风向以西风为主，大风集 中在1 0 月到翌年4 月间 2 1 1 气温 在诸多气候要素中，气温是很重要的能量指标，是局地小气候，如降水、蒸 发、云量及风等影响的综合指标气温变化受海拔的影响，与多年冻土的分布具 有良好的相关关系，气温会直接影响到多年冻土区路基的热稳定性，影响路基的 温度场状况。气温的变化既给多年冻土的存在，发展带来了很大的影响，也直接 影响到许多评价多年冻土状态的指标，如：冻结指数、融化指数、年平均地温、季 节融化层深度等研究高原多年冻土地区的气候条件中首先就得对所研究区域的 气温变化作详细的分析。根据国家气象局数据中心提供的近3 0 年气象资料，青藏 铁路沿线平均气温2 6 9 1 2 ，年最低气温1 4 5 1 7 4 0 ，年最高气温6 8 1 2 8 1 ，气温年较差1 5 1 2 2 6 ，年内日平均气温较差1 0 1 2 1 9 青藏高原的气 候变暖是从7 0 年代开始的，高原年平均气温比7 0 年代初升高0 2 0 4 c ，尤其 是夏季气温升温辐度较大，气温年较差逐年减小 i r c c ( 政府间气候变化专业委员会诳2 0 0 1 年发布的预测称“全球表面温度预 9 j e 鏖銮逗盔堂亟堂僮监塞 计在1 9 9 0 2 1 0 0 年间升高1 4 5 8 c ”，青藏高原是气候变化的“启动器”，其升 温要早于周围地区，青藏高原也是气候变化的“放大器”，其升温值要高于全球平均 值。据预测，2 0 5 0 年青藏高原将升温2 2 2 6 c 。 以下从青藏公路沿线选择五道梁、沱沱河、安多三个具有代表性气象站的3 0 年气象资料来分析青藏高原气候变化。 萌 占年平均气温一月份平均气温 七月份平均气温 牵劳 1 9 7 1 1 9 8 0五道梁沱沱河安多五道粱沱沱河 安多 五道粱 沱沱河安多 1 9 8 1 1 9 9 0- 5 4- 4 0 22 8 61 6 5 2 1 5 7 91 4 3 85 2 67 2 67 6 3 1 9 9 1 2 0 0 05 5 14 5 3- 2 7 91 6 7 81 7 5 31 4 1 65 4 47 5 17 6 9 图2 - 1 五道梁、沱沱河、安多十年平均气温变化图 从表、图中可见年平均气温有上升趋势，1 9 9 1 2 0 0 0 年的累计年平均气温五道 梁5 2 ，沱沱河3 9 2 ，安多2 7 6 ，均比三十年累计年平均气温要高，其中安 多地区近1 0 年中有8 年的年平均气温高于三十年累计年平均气温。一月份f 最冷的 月份) 平均气温上升趋势不明朗，而七月份( 最热的月份) 平均气温显著升高。 青藏高原气温上升的直接结果就是多年冻土的年平均地温升高，多年冻土上 限下降，改变了多年冻土的平面分布与垂直分布，致使多年冻土呈现退化趋势。 近1 5 2 0 年以来，岛状冻土区年平均地温升高0 3 o 5 ，连续多年冻土区内 年平均地温上升0 1 o 3 多年冻土的退化严重地影响了路基的热稳定性，影 响了路基温度场的分布状况，导致铁路病害的出现。 2 1 2 太阳辐射 1 0 差三重 星生连地匡蹬基湿度扬酸毖喧因嚣 图2 - 2 南京、成都、五道梁地区9 4 年各月平均太阳辐射日总量 太阳辐射是影响多年冻土及路基稳定性的重要因素，是路基边界处能量交换 的重要方式。青藏高原属于低纬度( 3 2 5 。3 5 7 。) 、高海拔( 平均海拔超过4 0 0 0 m ) 地区，这一特殊的地理条件造就了独特的多年冻土分布。与高纬度低海拔地区的 多年冻土相比具有年平均地温高、冻土层薄、多年冻土极不稳定等特点，而形成 这一特点的一个重要原因就是青藏高原的太阳辐射异常地强烈、总辐射量大、日 照时数长。青藏高原云量少、空气洁净、天空透明系数大、天气多为晴天，日照 时数可长达2 8 0 0 - 3 2 0 0 h a 。 1 太阳总辐射 从图2 2 可以看出，各地区太阳总辐射量随季节变化呈不均匀分布禾9 月份 辐射日总量较大，1 1 月至来年2 月份可达到最小值。在6 月份时由于降雨量较大， 空气潮湿度大，大气中水汽溶胶吸收了部分太阳辐射能，故在辐射曲线中出现了 波谷值。通过南京、成都、五道梁地区各月的平均太阳辐射日总量可以看出，青 藏高原地区的太阳辐射能比内地地区要大得多。 2 地表辐射反射率 地表反射率与下垫面的土质类型、颗粒组成、湿度状况、温度状况、植被覆 盖状况有关。青藏高原地表反射率季节性变化明显：夏季由于地表覆盖度大，且地 表湿润，地表反射率小：冬季因地表植被较少，加上地面积雪致使反射率较高。根 据季国良等人的实地考察，高原东部夏季地表反射率约1 8 ，冬季则在2 3 左右， 高原西部夏季地表反射率在2 5 2 7 ，冬季可达3 0 以上 3 长波辐射 长波辐射包括地面向上长波辐射u 和大气逆辐射g ，其中地面向上长波辐射 与大气逆辐射之差就是地面有效辐射f a 高原地区由于昼夜温差较大，夜问地温较 l l i e 塞窑迢去堂亟堂僮j 金窒 低，故地面向上长波辐射要小于平原地区。同时，高原地区海拔高度高，天空总 云量少，大气中水汽与气溶胶含量比平原地区少，从而高原地区的大气逆辐射也 较平原地区小。就大气逆辐射与地面向上长波辐射之比( u g ) 值来看，高原地区小 于平原地区，五道梁( 海拔4 6 2 0 米) 年平均0 6 9 5 ，拉萨( 海拔3 6 5 0 米) 为o 7 2 4 ，南 京( 海拔9 0 米) 为0 8 6 7 。 地面有效辐射也呈季节性变化，对于五道梁地区，地表有效辐射是1 0 1 1 月最 大，l 2 月最小，3 5 月次大，6 8 月为次小。 标2 - 3 五道梁地面向上长波辐射( u ) 和大气逆辐射( g ) 月平均日总量( 口m _ 7 d - i ) 及比值 慕 1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月 8 月9 月l o 月1 1 月1 2 月 u2 1 7 52 2 5 52 4 7 12 6 9 62 9 4 73 1 1 23 0 7 43 0 3 72 9 4 22 6 5 82 3 8 12 2 0 2 g1 4 9 31 5 7 51 6 0 81 82 8 2 1 0 9 2 3 6 8 2 3 2 3 2 3 1 12 1