（地质工程专业论文）青藏铁路片石护坡路基变形特性研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：路基变形主要包括蠕变和固结两部分。冻土和永久冻土的强度和变形特性 与其他固体和未冻土的区别在于，当在冻土中施加外荷载时经常发生不可逆的结 构再造作用，导致在很小荷载下出现应力松弛和蠕变变形，即冻土的强度和变形 随时间而变化。随着自然界四季交替变化，路基土体经历着从非冻结状态到冻结 状态以及再次融化的过程。 本文针对不同冻土区青减铁路片碎石护坡工程措施与路堤的相互作用机理进 行了研究，建立了工程措施下的冻土热物理模型，进而对工程措施实施前、后的 冻土温度场、应力场和变形进行数值模拟计算和分析，最后用青藏铁路路基新结 构一片碎石护坡路基现场试验工程的测试结果进行了验证。在青藏铁路清水河高 温冻土细粒土段进行的片石气冷护坡路堤和普通路堤实体工程对比试验，基于三 个测试断面、两个冻融循环的地温和变形监测资料，对比分析了片石气冷护坡措 旌路堤与普通路堤的变形特征。分析结果表明，采用片石气冷护坡措施的路堤， 与普通路堤相比，最大融化深度抬升幅度较大，沉降量小。因此，片石气冷护坡 能够有效发挥降低地温、保护多年冻土的作用，是一种施作方便，适用条件较广 泛的主动保护多年冻土措施。 关键词：青藏铁路；片石；地温；最大融化深度；路基沉降 分类号；u 4 1 6 1 ：t u 4 4 5 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s i r a c i ： t h ed e f o r m a t i o no f s u b g r a d ei sc o m p o s e do f c o n s o l i d a t i o na n dc r e e p t h ed i f f e r e n c e s o ns t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o nf e a t u r eb e t w e e nf r o z e ns o i la n dc o m m o ns o i li st h a tf r o z e n s o i lh a so b v i o u si r r e v e r s i b l er e c o n s t r u c t i o nu n d e rl o a d i n g s t r e s sr e l a x a t i o na n dc r e e p c a nd e v e l o pu n d e rv e r yl o wl o a d s 1 1 1 cs t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o no ft h ef r o z e ns o i l c h a n g ew i t ht i m e a l o n gw i t ht h ev a r i a t i o no fs e a s o n s ，t h es o i lo fs u b g r a d ec h a n g e s f r o mu n f r o z e nt of r o z e na n dr e p e a t st h ep r o c e s sa g a i na n da g a i n t h ep a p e ri sb a s e do nt h es t u d yo ft h em u t u a la c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e n q i n g h a i t i b e tr a i l w a ya i r - c o o l e de m b a n k m e n tw i t hr i p r a ps l o p ep r o t e c t i o na td i f f e r e n t f r o z e ns o i lr e g i o n s w ed e v e l o p e dt h e r m a l - p h y s i c a lm o d e l so ff r o z e ns o i lu n d e r d i f f e r e n te n g i n e e r i n gm e a s u r e s n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i so f t e m p e r a t u r ef i e l d s , s t r e s sf i e l d sa n dd i s p l a c e m e n tf i e l d sw e r ed o n e f i n a l l y , w ec o m p a i r e dt h er e s u l t so f t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t ht h et e s tr e s u l t sa tat e s t e ds e c t i o no fa i r - c o o l e de m b a n k m e n t w i t l lr i p r a ps l o p ep r o t e c t i o n , w h i c hi san e w l yd e s i g n e ds t r u c t u r eo ft h eq i n g h a i - t i b e t r a i l w a y a ne x p e r i m e n t a lp r o j e c to na i r - c o o l e de m b a n k m e n tw i mr i p r a ps l o p ep r o t e c t i o n a n dc o m m o ne m b a n k m e n tw e r ec o n d u c t e da tq i n g s h u i h e ，af i e l dt e s ts e c t i o no f h i g h - t e m p e r a t u r ef m eg r a i nf r o z e ns o i lr e g i o na l o n gq i n g h a l t i b e tr a i l w a y b a s e do n m o n i t o r i n gd a t ao fg r o u n dt e m p e r a t u r ea n ds e t t l e m e n t a tt h r e es e c t i o n sa f t e rt w o f r e e z i n g - t h a w i n gc y c l e , t h eg r o u n dt e m p e r a t u r e , a c c u m u l a t e dt e m p e r a t u r e , m a x i m u m t h a w i n gd e p t hv a r i a t i o na n dd e f o r m a t i o nf e a t u r eo ft h e s et w ok i n d so fe m b a n k m e n t w f f l - ea n a l y z e dc o m p a r a t i v e l y i tw a ss h o w nt h a tt h ea i r - c o o l e de m b a n k m e n tw i t hf i p r a p s l o p ep r o t e c t i o ns h o w e db e t t e re f f e c to nd e c r e a s i n gg r o u n dt e m p e r a t u r e ，l o w i n gm i n o r a c c u m u l a t e dt e m p e r a t u r e ，e l e v a t i n gt h em a x i m u mt h a w i n gd e p t he v i d e n t l ya n dr e d u c i n g s e t t l e m e n tt h a nt h a to fc o m m o ne m b a n k m e n t t h e r e f o r e ，t h ea i r - c o o l e de m b a a l k a - n e n t w i t l lr i p r a ps l o p ep r o t e c t i o n , a sab n do fc o n v e n i e n ta n dw i d e l yu s e dc o n s t r u c t i o n m e a s u r e , w a sap o s i t i v ef r o z e ns o i lp r o t e c t i o nm e a s u f ef o ri t se f f e c t i v e l yd e c r e a s i n g g r o u n dt e m p e r a t u r ea n dp r o t e c t i n gp e r m a f r o s t 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 ；r i p r a ps l o p ep r o t e c t i o n ；g r o u n dt e m p e r a t u r e ；t h e m a x i m u m t h a w i n gd e p t h ；e m b a n k m e n ts e t t l e m e n t c l a s s n o ：u 4 1 6 1 ：t u 4 4 5 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： 断辛 导师签名： 扬荔驴 签字日期：涧年1 1 月w 日签字日期：饥们年倍月扣日 北京交通硕士学位论文 独创性声明 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。 学位论文作者签名： 薛峰 签字日期：勘加7 年f z 月汐日 致谢 本论文的工作是在我的导师杨成永教授的悉心指导下完成的。在论文的选题， 文章的内容编排以及论文的最终定稿方面，无不倾注了导师的大量心血。杨成永 教授以其渊博的学识，宁静淡泊的作风，严谨的治学态度和科学的工作方法给了 我极大的帮助和影响。从杨成永教授那里我不仅学到了丰富的专业知识，更学会 了在学问上的态度以及对待生活的观点，使我受益终生。在论文完成之际，衷心 感谢三年来导师对我的关心和指导，并向导师致以崇高的敬意! 在论文完成的过程中，土木建筑工程学院魏静老师的指导和帮助对我论文的 完成起到了至关重要的作用。感谢魏静老师无私地给我提供的重要的参考资料和 实验数据。正是这些资料帮助我顺利完成了论文，在此谨向魏静老师表示诚挚的 感谢! 在撰写论文期间，赵文杰、许国光硕士等同学对我论文的内容的完善给与了 真诚的帮助，我们曾多次讨论冻土路基的稳定性问题，感谢他们对我论文提出的 宝贵意见，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父亲、母亲，感谢他们的养育之恩，也感谢他们多年来对我 的默默奉献，正是他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 、研究背景和意义 第一章绪论 青藏铁路格尔木拉萨段全长l l l 8 k m ，地处世界上海拔最高、面积最大、气 候条件恶劣，且有世界屋脊之称的青藏高原，其中5 6 0 余km 穿越多年冻土地区， 海拔在4 5 0 0 m 以上。我国1 9 5 4 年修建青康公路开始接触高原冻土，通过5 0 年代 末和7 0 8 0 年代改建、尤其是9 0 年代对青藏公路的扩建，在青藏高原多年冻土 区的筑路技术大大提高，为铁路建设提供了许多可借鉴的工程实践经验。前苏联、 加拿大、美国等国家从3 0 年代开始围绕冻土区工程建设进行了大量的冻土工程特 性及环境方面的研究，对各种应力状态下冻土蠕变和长期强度试验进行了深入研 究，在冻融土特征、冻结过程和冻胀现象等领域也开展了大量的工作。很多研究 在俄罗斯西伯利亚、美国阿拉斯加和加拿大多年冻土地带的铁路建设和高速公路、 输油管道等工程中得到应用，这些地区的设计、施工和建设经验对青藏铁路有借 鉴意义。 冻士是一种具有负温或零温且其中含有冰的特殊土体，它包括固体矿物颗粒、 理想塑性冰包裹体、结合态和液态水以及气态成分的四相体系，其特殊性表现在 具有对温度十分敏感、性质不稳定和冻融性。冻土的温度变化过程，将对其结构、 构造和强度产生重大影响，并伴随冻胀、融沉等病害现象的发生，对工程建设不 利，可使基础产生不均匀沉降、鼓丘和翻浆等破坏。 从崔托维奇的第一部冻土力学问世以来，冻土力学的研究走过了一条漫 长崎岖的发展。从早期直接服务于寒区工程设计的简单的唯象学上的冻土宏观力 学性质的研究，到七、八十年代探索冻害原因的冻土细观机制实验研究：从对冻结 土力学性质的研究到更切合实际工程需要的正冻土、正融土力学性质的研究：从只 针对冻土骨架固相的力学性质的试验研究，到考虑了冻土中的水、热、力耦合机 理；从了解冻土和利用冻土，到主动地对冻土进行改造；从被动地冻土体( 路基、边坡、 围岩等) 稳定性可估，到主动的可控。 冻土是一种特殊土体，其成分、组成结构、热学性质及物理力学性质均有着 不同于一般土的许多特点，其特殊性主要表现在它的性质与温度密切相关。土体 中的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起冻害严重与否 的主要因素。在寒冷的气候条件下，土体中的水分会冻结成冰并膨胀，同时未冻 结区的水( 如地下水) 会源源不断地向冻结区迁移并结冰，引起更大的冻胀及破 坏力，造成路基的不均匀变形或纵向裂缝的形成。 北京交通大学硕士学位论文绪论 在青藏铁路的建设中岩土工程问题主要表现为冻土的冻融变形、稳定性及其 处理技术，包括：( 1 ) 冻土的冻胀、融沉、流变性规律问题；( 2 ) 冻土区工程的设计与处 理技术等。研究冻土地区的路基工程冻害、成因与防治措施，对于青藏铁路的建 设与维护具有重要的研究意义。 从本质上讲，多年冻土路基冻害是在一定土质、水分和气温条件下形成的， 由于路基修筑改变了天然冻土的水热状况，破坏了冻土体的水热平衡条件，从而 使得多年冻土路基出现融沉、冻胀等路基冻害。运用工程类比和经验，青藏铁路 路基冻害的主要类型包括冻胀开裂、基底融化下沉与路基边坡滑塌，以及冰害。( 1 ) 冻胀开裂：外观上表现为纵向裂缝、横向裂缝两种，并经冻融反复作用而不断加宽， 使路基面呈破碎状，导致路基在融冻期间翻浆冒泥，是一种十分普遍的路基冻窖。 ( 2 ) 基底的融化下沉与路基边坡滑塌：由于原始地表热状态的改变，地表水下渗及 其热交换作用，使基底多年冻土层的上限下移，引起路基发生缓慢、持续、大幅 度的下沉，并在基底内部形成纵向融化槽形态，从而引起融冻期间路基承载力下 降：或基底的富冰冻土层融化，在路基边坡或坡脚处发生滑塌变形。 ( 3 ) 冰害：路基或开挖路堑后地下水自边坡流出，在寒冬季节随流随冻，形成 积冰掩埋路基路面或边坡积冰，堑内积冰等病害。表现形式有冰锥、冰丘等。 冻土介质中水分场、应力场、温度场耦合作用及其对工程的影响，是我国西 部广大寒区众多工程冻害问题的本质所在，也是迫切需要研究和解决的重要课题。 研究青藏高原多年冻土地区的地温变化、融化深度的季节性变化等，都属于不稳 定导热。即物体内部温度不但和地点有关，并且各地点的温度还随着时间发生变 化。 本文针对青藏铁路冻土路基结构，在进行冻土与工程措施相互作用机理的研 究基础上，建立相应的数值分析模型，计算并预测工程实施后的地温分布场情况 及路基变形情况。结合现场试验验证理论模型的先进性与可行性，并与实际监测 情况对照后分析产生变形等病害原因并提出对策以指导工程实践。该论文的研究 成果不仅能够揭示工程措施与冻土相互作用的机理，也可以对路基修建后的地温 场、应力场变化情况做出定量描述，并且可以对工程效果做出比较客观的预测， 因此该论文成果既有重要的理论意义，也有很好的应用价值。 1 2 、国内外片( 碎) 石护坡应用研究概况 我国青藏高原多年冻土地处中、低纬度、高海拔地区，具有多年冻土厚度薄、 地温高和太阳辐射强等特点，人为活动一般会使进入多年冻土层的热量有所增加， 引起多年冻土融化、多年冻土上限下降和沉降变形，导致冻土不稳定程度更为强 北京交通大学硕士学位论文绪论 烈，因此，地温调控的任务更为艰巨和复杂，尤其是在高温多年冻土区和厚层地 下冰发育地区。3 0 多年来，在全球气候出现转暖趋势的影响下，青藏高原多年冻 土出现年平均地温升高，活动层厚度加大，产生不同程度的衰变和退化。这些变 化对路基工程的稳定极为不利。多年冻土的衰退和融化将伴随路基的下沉和破坏。 而较厚的活动层的冻结又将出现较大的冻胀变形。目前，防止路基下多年冻土融 化和衰退的方法有：控制热量的蓄积，即减小路基的吸热和传热；人工冷冻地基； 控制热量的传输过程等方法。以往工程实践采用的是前两种方法。这些方法可以 明显地减少热量传入，对保护多年冻土起到良好的作用。但也有一些不尽人意的 地方，如隔热层将热量隔离的同时也阻挡了冷量的输入。其他方法或因造价太贵， 或因施工的维修养护不便而限制了它的广泛应用。第三类方法则可以克服以上缺 点，成为保护多年冻土，防止多年冻土融化和衰退，提高多年冻土路基稳定性的 新方法。 在多年冻土区的铁路路基施工中，抛石护坡路基和租、细颗粒土互层路基也 是保护冻土有效的方法之一。从理论上讲，抛石护道和粗细颗粒土互层路基由于 其孔隙性大，形成对流换热。当暖季表面受热后，块石中的对流换热向上，热空 气上升，维持块石中的较低温度，因此，传入地中的热量较少：寒季时，冷空气沿 孔隙下渗，对流换热向下，较多的冷量传入地基中。块石传导换热在寒季和暖季 大体相等，但导热在整个热传输过程中占的比重较小，而其较大的孔隙和较强的 自由对流使得冬夏冷热空气由于空气密度等差异而不断发生冷量交换和热量屏 蔽，综合效果是冷量输入大于热量输入，有利于保护多年冻土。 ， 据资料介绍，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，因此，块石层可有效的提高路基下地基的冷蓄量，保护多年冻土效 果明显优于导热系数不随温度变化的各类保温材料。从青藏高原热水、风火山和 东北大兴安岭的试验路基研究及前苏联西伯利亚贝一阿铁路的运营情况来看，用 粗颗粒材料，特别是用抛石、大块石等碎石材料作为路基填料、路堑换填料和护 坡、护道填料，可以充分利用冬季冷储量和夏季冷热空气比重上的差异及对流特 点来维持冻土上限的热平衡，保持路基下冻土上限位置或促使上限上升。于1 9 7 3 年修筑的热水块片石通风试验路基，位于多年冻土下界附近的厚层地下冰地段， 竣工后的测温孔地温观测结果表明，块片石通风路基的年平均地温较一般碎石土 路基的年平均地温低得多，结果认为块石层的有效导热系数在冬季和夏季具有明 显的区别。夏季有效导热系数是1 0 0 6 w m k ，而冬季有效导热系数是1 2 2 7 1 w m k ，也就是说块石层的有效导热系数在冬季是夏季的1 2 2 倍。认为块石路基在气温 波动条件下具有热二极管效应一自然对流降温效应，其随时间累加而弥补因施工 等造成冻土条件的改变，甚至能使其恢复到自然状态。 北京交通大学硕士学位论文绪论 总之，抛石、块片石及碎石层路基对多年冻土具有很好地保护作用，是一种 利用自然冷能保护多年冻土的廉价材料，这对于青藏高原降水少、太阳辐射强造 成蒸发量大并且具有厚层地下冰的特点而言，有很重要的实际意义。 在我国，1 9 6 0 年，中铁西北科学研究院为解决青藏铁路多年冻土区的筑路问 题，在风火山进行了碎石路基工程试验。路基项面宽度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。观测资料表 明，碎石层在保护多年冻土方面有特别良好的性能，在暖季能有效地减少热量传 入地基中，具有明显的热屏蔽效应，而在寒季能显著提高冷量的传入，对多年冻 土起到很好的保护作用。1 9 7 3 1 9 7 4 年，中科院冰川冻土所在青海热水地区进行的 块石通风路基试验进一步证实了块石层加速冷却基底、增加地中冷储量的作用。 1 9 9 9 年，中铁西北科学研究院在风火山铁路试验路基进行了路堑碎石边坡的试验， 结果表明，碎石层在保护多年冻土、维持路堑边坡稳定性方面效果显著。 片( 碎) 石保温护坡是在路基的坡面上铺设一定厚度和粒径的片( 碎) 石层， 用来保护路基和基底的多年冻土。其工作原理是：在暖季，片( 碎) 石层顶面的 空气温度比片( 碎) 石孔隙问的高，空气密度比孔隙问的低，外部热空气与孔隙 问的冷空气不发生对流，此时片石层的导热能力仅由片石与孔隙内的传导决定， 片石犹如一道屏障阻碍着外部热量的传人，因此达到很好的隔热效果( 见图1 1 ) 。 图1 1 片石层在暖季的热传输过程 f i g1 - 1t h eh e a tt r a n s p o np r o c e s so ff i p r a p - r o c k 蛔w l r m $ e a s o l b 在寒季，情况恰好相反，外面的冷空气比孔隙中的热空气密度大，冷空气沿 孔隙下渗，片( 碎) 石中气体处于热对流状态，对流换热向下，传入地基较多的 冷量，地层中大量热量发散到空气中，与此同时，片石间通过传导也带走一部分 热量( 见图1 2 ) 。因此，片( 碎) 石堆体内以其较大的空隙和较强的自由对流使 4 北京交通大学硕七学位论文绪论 得冬夏冷热空气由于空气密度差异而不断发生冷量交换和热量屏蔽，其结果有利 于保护多年冻土。片石层有效导热系数由传导和对流来决定。一般说来，空气和 岩石的导热系数不到3 k c a l m h ，而空气对流的换算导热系数高1 2 0 k c a f m h ， 故片石层的有效导热系数主要取决于空气对流换热的结果。上述片( 碎) 石保温 护坡的工作原理被称为“热开关效应”，它是由片石层特殊的热传输特性决定的。 图1 2 片石层在寒季的热传输过程 f i 9 1 - 2 t h e h e a t t r a n s p o r t p r o c e s s o f r i p r a p - r o c k i nc o l ds 4 e a s o n $ 综上所述，国内外片石气冷路基的发展和研究现状表明，对该主动降温措施 进一步的研究包括：基于多孔介质的传热理论，进行理论上的完善，结合青藏铁 路的实践，建立青藏铁路多年冻土与片石气冷路基工程措施作用机理的理论模型； 对该工程措施与冻土相互作用的机理进行理论计算分析：将各项成果技术工程实 用化。因此，对于片石气冷路基在青藏铁路中的应用问题，无论从理论，还是从 试验和计算方面，都需要进行大量的研究工作。自青藏铁路开工建设以来，已经 进行了四年多的冻土科研工作，通过试验工程的进行，积累了大量的实测资料， 并有了一些定性的认识和定量化的标准，为理论模型及计算分析奠定了基础。 1 3 、主要研究内容 本文根据清水河片石护坡路基实验段的资料进行关于青藏铁路冻土区路基变 形特性分析，主要进行下面几个发明的研究： ( 1 ) 通过分析得出片石护坡路基温度场对变形场影响，并建立符合工程需要 的温度场和变形场耦合分析模型； ( 2 ) 通过温度场计算模型分析路基温度变化，并与实际测量数据进行对比， 验证模型的正确性并给出路基温度场变化预测； 。 北京交通大学硕七学位论文 绪论 施。 ( 3 ) 计算路基由于温度场和上覆荷载作用引起的路基变形； ( 4 ) 分析阴阳坡片石层的厚度对防止路基不均匀沉降的效果； ( 5 ) 预测气候变暖条件下冻土路基的变形特性及变化趋势； ( 6 ) 通过计算分析得出片石护坡路基变形特性并结合实际给出合理工程措 6 北京交通大学硕士学位论文试验段j j ：程概况及变形分析理论 第二章试验段工程概况及变形分析理论 2 1 、试验工程概况 清水河试验段位于青藏高原腹地，属昆仑山河谷地带向楚玛尔河高准平原区 的过渡区域，为典型高原冰雪型气候，海拔4 4 7 0 m ，气候干燥，气温、气压低， 冻结期长，急风、暴雪、雷电天气变化无常。根据以前的气象资料，该地区年平 均气温6 2 ，极端最高气温2 3 1 ，极端最低气温粕1 ，年平均气温较差2 7 8 。 气温正积温为4 7 8 o 天，负积温为2 7 6 0 o 天，两者相差悬殊。年平均降水量 1 8 7 2 m m ，年最大降水量2 8 7 6 m m ，年最小降水量为1 1 2 7 m m 。年平均蒸发量 1 6 6 4 5 m m ，年平均相对湿度6 1 o ，年最大相对湿度为1 0 0 。平均风速为4 5 m s ， 最大风速3 1 m s ，主导风向n e ，每年平均有9 7 1 天的大风天气。该区最大积雪厚 度达1 5 c m 。 本试验段共设有3 个测试断面，分别为：d k l 0 2 6 + 1 5 5 、d k l 0 2 6 + 1 9 0 ，和 d k l 0 2 6 + 2 3 0 。根据试验工程各断面钻孔测温结果，d k l 0 2 6 + 1 9 0 与d k l 0 2 6 + 2 3 0 断面年平均地温分别为1 2 、1 3 ，天然上限为1 5 m ，属低温基本稳定区；而 d k l 0 2 6 + 1 5 5 断面的多年冻土年平均地温高达0 4 6 ，天然上限为2 8 m ，属高温 极不稳定区，该段地表植被稀少，地形微倾向南坡，太阳辐射较强，导致了 d k l 0 2 6 + 1 5 5 断面地温的异常。 片石气冷护坡试验段各监测断面里程为：d k l 0 2 6 + 1 5 5 ，该断面填土高度4 2 m ， 路基坡面铺设片石，片石厚度1 2 m ，左右对称；d k l 0 2 6 + 1 9 0 ，断面填土高度3 7 m ， 片石护坡厚度0 8 m ，左右对称；普通路基测试断面为d k l 0 2 6 + 2 3 0 ，填土高度6 2 m 。 断面测试项目包括地温测试和变形测试。 在每个监测断面距坡脚2 0 m 处设天然测温孔确定各断面天然地温场分布状 况。在路基左右侧坡脚处、左右侧路肩中心处、路基中心处分别布置测温孔。测 温孔内分段布设温度传感器，顶端0 0 5 ，0 1 5 ，0 3 0 m 处各设一个测点；顶端以下 0 3 m 至上限以上0 5 m 段，每0 5 m 设一个测点；上限上、下0 5 m 段内，每0 2 m 设一个测点，上限以下o 5 m 至孔底每0 5 m 布置一个测点。测试元件采用热电偶 和热敏电阻。 进行变形测试的冻胀板埋设在d k l 0 2 6 + 1 5 5 和d k l 0 2 6 + 2 3 0 断面左、右路肩 的路基表面下o 2 m 处( 1 撑和5 拌) ，路基中部( 2 拌和砰) 、路基基底( 3 群和硝) 和 冻融交界面处( 错和8 撑) ，对称于线路中心线布置。 监测内容包括：片石气冷护坡与普通路基地温的变化；片石气冷护坡与 普通路基的沉降特性。 7 北京交通大学硕七学位论文试验段工程概况及变形分析理论 2 1 1 地层岩性及水文地质特征 地层主要为第四系全新统冲、洪积的砂粘土、粘砂土、砾砂和风积细砂。第 四系下伏地层主要为上第三系泥岩、页岩、泥灰岩及砂岩。地表植被稀疏，覆盖 率约5 3 0 。 青藏铁路清水河试验段位于青藏高原腹地，属昆仑山河谷地带向楚玛尔河高 准平原区的过渡区域，地形平缓，其间冲沟发育。本试验段地表水主要为季节洪 水。地下水主要为暖季分布的冻结层上水，由大气降水补给。地质剖面图如图2 1 ， 2 2 所示： z ， *i 厂| 。f 茨懑 w “”n ： d 瓤孓， r 一，；与e - ； ；一；- - 一- _ - 一_ 一- ；i ：；! ；i i ；薹萎萋；萎薹i 茎 i i 一；一；一：一：一：一! 一i i 一：一 ；一i i 一圣一ii ；一；一；一；一；一i 一；一i i i 一；一；一i 一；一i i 一；i ；一； 图2 - 2d k l 0 2 6 + 2 3 0 地质剖面图 f i g2 - 2t h eg e o l o g i c a ls e c t i o no f d k l 0 2 6 + 2 3 0 8 北京交通大学硕士学位论文 试验段工程概况及变形分析理论 片石护坡试验段起讫里程：d k l 0 2 6 + ll o d k l 0 2 6 + 2 6 5 ，长1 5 5 m 。其中 d k l 0 2 6 + 1 1 0 d k l 0 2 6 + 2 1 0 段，在路基坡面铺设片石，片石厚度在 d k l 0 2 6 + 1 1 0 d k l 0 2 6 + 1 7 0 段设计为1 2 m ，在d k l 0 2 6 + 1 7 0 d k l 0 2 6 + 2 1 0 段设 计为0 8 m 。d k l 0 2 6 + 2 l o d k l 0 2 6 + 2 6 5 段为对比段，设填料与路基相同的保温护 道，护道高度2 8 m ，设计宽度左侧为3 m ，右侧为2 m 。 2 1 2 试验工程措施及测试断面情况 地层主要为第四系全新统冲、洪积的砂粘土、粘砂土、砾砂和风积细砂。第 四系下伏地层主要为上第三系泥岩、页岩、泥灰岩及砂岩。地表植被稀疏，覆盖 率约5 3 0 。 试验段所处地段，属昆仑山河谷地向楚玛尔河高准平原区的过渡区域，地形平 缓，其间冲沟发育。本试验段地表水主要为多种季节洪水。地下水主要为暖季分 布的冻结层上水，由大气降水补给。 试验段个断面里程的工程概况如表2 1 所示： 表2 - l 试验段工程概况表 t a b2 - 1p r o j e c ts u r v e yo f t h et t $ h t i o n 路基填高m )天然 水文特工程 上限 地温分区 地层岩性 断面里程 左 中心 右侧 措施征 侧 ( m ) 片石 o 4 6 d k l 0 2 6 + 1 4 43 93 4 护坡 2 8高温极不 5 5 厚 稳定区 地表水 地层主要为 1 - 2 m 主要为 第四系全新统 季节洪 冲、洪积的砂粘 水；地下 片石 1 2 水主要 土、粘砂土、砾 d k l 0 2 6 + l 护坡 9 0 3 73 43 11 5 低温基本 为暖季 砂和风积细砂。 厚 稳定区 分布的 第四系下伏地层 0 8 m 冻结层 主要为上第三系 与路 上水，受 基填 大气降 泥岩、页岩、泥 - 1 3 d k l 0 2 6 + 2 6 26 o5 8 料相 1 5低温基本 水补给。 灰岩及砂岩。 3 0 同的 稳定区 保温 护道 2 2 、耦合分析理论 土体的冻胀、融沉过程受控于土体中的水分场、应力场、温度场的变化。冻 9 北京交通大学硕十学位论文试验段工程概况及变形分析理论 土是由土颗粒、冰晶体、未冻水和气体组成的多相多组分介质，可以说冻土的力 学性质实际上是各相介质的相互作用及其综合作用的结果。在荷载作用下，土颗 粒、冰以及未冻水自身分别承担着外界荷载的部分力量。由于各自的力学性质不 同，各自承担的荷重不是固定不变的，而是随着荷载作用时间的增长，应力发生 再分配随着变形的发展，土颗粒骨架将承受更多的荷重。固体冰通过流变以及 相转化( 成水) ，初始承担的应力逐渐减少。对于施加在未冻水上的应力，也随着未 冻水的转移而部分或全部卸载。 由此可看出，研究各组分材料的力学行为及其之间的耦合作用关系，才能更 好地解释冻土的整体力学行为。在冻融作用下，活动层解冻过程中均发生融化下 沉变形，而回冻过程则发生冻胀变形。在天然条件下，地基土每年的总变形幅度 很小，地面高程基本不变。但是在地基与路基和道路相互作用时，由于水热条件 与力学条件的改变，被扰动的地基土冻融过程与冻融变形特点发生很大改变冻 土的冻胀和融沉长期以来是冻土地区工程建设的主要问题，是导致路基变形的根 本。对冻胀和融沉过程中的应力场，需要同时考虑水分场，温度场，即用三场耦 合理论来描述温度、水分和应力在时间和空间上的改变。青藏铁路冻土路基温度 场观测表明，路基表面与天然地表冻结指数的差值明显地小于相应融化指数的差 值，如此必将导致路基下多年冻土的逐步退化。 冻土的水、热迁移与成冰过程本质上是多孔多相介质带相变的固、液、气、 热耦合问题，目前国内外的工作大多停留在实验探索阶段，理论上的探讨很不成 熟a b o u s t i t 等人较早研究了弹性多孔介质中不计水的压缩性和热膨胀性时固液热 耦台变分原理；m c t i g u e 提出了可压缩的固液两相介质具有不同热膨胀性的固液热 三场耦合理论，但忽略了介质的热传导性；n o o r i s h e d 等人首次提出了饱和裂隙介 质( 岩体) 的固液热耦合方程；t h o m a s 等人建立了变形非饱和土中热水、水蒸气及空 气传输相互作用的复杂理论模型。g a t m i r i 提出了考虑土体骨架非线性变形的固液 热耦舍模型，较全面地考虑了固相的变形非线性液体的可压缩性和热膨胀性及热 的传导与对流以上的研究均是针对高温下的三场耦舍问题，一般都不涉及具有 四相( 土骨架、冰、水、气) 物质和相变过程的冻土f r e m o n d 对正冻土的热力学性质 进行了初步描述；l u n a r d i n i 对正冻土与融土中的热传导进行了系统的分析：k o n a r d l 提出了一个描述正冻土的冰晶形成与水分迁移的模型：d e n n i s 对冻结过程进行了深 入系统的试验研究，我国学者徐学祖、李述训、程国栋、苗天德等人先后对冻土 的水分迁移与热质转移，水热力耦合问题进行了较深入的试验与理论研究将前 人的工作做一归纳与分类，可将国内外现有的耦合模型分为：经验与半经验模型， 流体动力学模型、刚冰模型和热力学模型五大类。 1 0 北京交通大学硕七学位论文试验段工程概况及变形分析理论 ( 1 ) 流体动力学模型 h a r l a n ( 1 9 7 3 ) 首次在非饱和土中水分迁移与非完全冻结土中的水分迁移理论分 析的基础上提出了正冻土中热质与水分迁移相互作用的耦合模型；随后不少学者 在这种思路下提出了各种类似的模型( s h e p p a r d ( 1 9 7 8 ) ，j a n s s o n & h a l l d i n ( 1 9 7 9 ) ， f u k u d a ( 1 9 8 2 ) ，f u k u d a & n a k a g a w a ( 1 9 8 5 ) ，这些模型的一大缺点是无法描述冰透镜 体产生的离散性冻胀通常发生在含水量增加超过了冻土初始孔压含量的条件下， 冰透镜体往往就在冻土中水分迁移流动量最大的区域产生。g u y m o n 等人( 1 9 8 0 、 1 9 9 3 ) 提出的模型被认为是最先进的，可求解非塑性土季节性冻融过程问题，并经 过了长期的应用与考验。 ( 2 ) 冻胀的刚冰模型 该模型基于次冻胀理论，认为在冰透镜体底面与冻结锋面之间，存在着一个 低含水量、低导湿率和无冻胀的一个带，称为冻结缘( f r o z e nf r i n g e ) 。根据这个概 念，可由冰透镜体底面温度计算工程上需要的最大冻胀力。o n e i l l 在孔隙冰与孔 隙水之间用一适当的比例系数定义了一个中性应力，以便于应用太沙基的多孔介 质有效应力理论。根据这个理论，在有效应力足够承担上覆荷重的冻结缘区内， 新的冰透镜件将由此产生。“刚冰”模型之所以称为“刚冰”，是因为该模型假定在冻 结缘中的冰与正在生长的冰透镜体是刚性连接，当冻胀发生时，孔隙冰可通过微 观重新冻结作用过程在冻土中迁移。 ( 3 ) 热力学模型 热力学模型是d u q u c n n o i 在1 9 8 5 年首次提出。后经f r e m o n d 和m i k k o l a 在1 9 9 1 年 改进发展而成模型在冻土微元体中土、冰、水三相介质的质量守恒、能量 守恒及熵不等式的理论基础上，提出了多相介质的相应的自由能和耗散能表达式 与多相介质的本构方程。这个模型可以考虑由于冻胀、水热迁移与水分冻结引起 的孔隙吸力。然而该模型仍在发展之中，目前尚无法在工程中应用。 然而大多数学者均只对冻土中的水、热祸合或水、热及冻胀力耦合进行了试 验与分析。尚未考虑冻胀变形对水、热传导的耦合影响。冻土的冻胀、融沉现象 的本质是冻土多孔介质中土骨架、冰晶体、未冻水与空气这四相物质在温度、水 头、外压与变形等外界因素作用下的相互运动、迁移、扩散与相变。目前大都只 研究温度与渗流的相互作用而不考虑变形，它远不足以描述冻胀融沉的内在机制。 近年来，由于青藏铁路修建的需要，对冻土耦合分析的研究成果应用于当前 铁路建设中，其主要目的就是要控制冻土的温度，同时控制流入路基下冻土中的 水分，减少融沉量。冻土冻胀、融沉的机理研究也有了不断的突破，苗天德等在 连续介质力学的理论框架下研究了冻土力学热学性质，建立了相应的本构关系但 该研究并没有分析应力场及其反作用：何平等从连续介质力学及热力学原理出发， 北京交通大学硕士学位论文 试验段f ：程概况及变形分析理论 系统地分析了土体冻结过程中水、热、力耦合作用，指出冻结过程与土体应力状 态、温度状况及水分的迁移条件密切相关，并提出了饱和正冻土的水、热、力耦 合模型；陈飞熊等建立了较全面考虑饱和正冻土中土骨架、冰、未冻水三相介质 的水、热、力耦合作用数理方程，并在此基础上，假设冻土体内的空气流动是一 种d a r c y 流，重点讨论了空气与外界处于半连通半封闭情况时不饱和孔隙冻土体三 场耦合模型；李宁等建立了全面考虑冻土中骨架、冰、水、气四相介质水、热、 力与变形耦合作用的数理方程，并在引进国外大型岩土工程分析软件的平台上， 开发出了饱和与准饱和冻土介质温度场、水分场、变形场三场耦合问题的有限元 分析软件。 本文在充分进行冻土路基与片石护坡相互作用机理的研究基础上，建立相应 的数值分析模型，计算工程实施后的地温分布场情况及路基变形情况，并对以后 的温度及变形变化进行预测，进而通过现场试验验证理论模型的先进性与可行性， 并与实际监测情况对照后分析产生变形等病害原因并提出对策以指导工程实践。 这意味着本文的成果将能够作为一种客观理论指导施工及运营过程，并且可以对 工程效果做出比较客观的预测。 北京交通大学硕士学位论文温度场模型的建立及分析 第三章温度场模型的建立及分析 基于以上的分析，本文建立冻土路基瞬态温度场和应力变形场的二维数值计 算模型，应用有限元软件a d i n a ，分析温度场的动态变化对于路基变形场分布规 律的影响。首先要建立作为基础分析的温度场模型。 3 1 模型的建立 3 1 1 材料热参数的选取 冻土与其它土类最大不同之处就在于其性质与土体的温度有密切的联系。考 虑到温度对冻土热导系数及比热的影响，综合现有实测材料和参考文献，本文采 用的土质类型及各项物理参数如表3 1 所示 表3 - l 计算用土体热参数统计表 t a b3 - 1t h es t a t i s t i ct a b l eo f s o i lt h e r m a lp a r a m e t e r s 通鏖( 0 c ) 土体参数、 1 05- 21o 5o1 5 路 , t ( g d a y - m o o 1 9 0 0 81 9 0 o s1 9 0 0 81 9 0 0 81 9 0 0 81 4 5 1 21 4 5 1 2 基 填 土 c ( t j l m 3 0 0 1 6 0 21 6 0 21 6 0 21 6 0 2 1 6 0 22 0 6 2 2 0 6 2 砂 , t ( t d a y m o c l 1 0 3 1 0 31 0 31 0 31 0 38 2 0 88 2 0 8 砾 石 c ( k j i m 30 0 1 9 9 81 9 9 81 9 9 81 9 9 81 9 9 82 4 5 92 4 5 9 土 弱 2 ( t l d a y m o o 1 5 71 5 71 5 71 5 71 5 71 2 71 2 7 风 化 c ( t l l m 3 0 0 1 8 4 61 8 4 61 8 4 61 8 4 61 8 4 62 0 9 92 0 9 9 岩 片 2 ( t 3 d a y - m o c l 8 0 1 0 6 0 石 c ( t l l m 3 0 0 1 0 1 5 1 0 1 5 l o l 51 0 1 51 0 1 51 0 1 51 0 1 5 3 1 2 初始及边界