（道路与铁道工程专业论文）青藏铁路五道梁地区片石气冷路基工程效果研究.pdf

中文摘要 中文摘要 片石气冷路基结构利用内部传热机理最终有效得降低基底土体温度，保护了多年冻土，保证了 冻土区路基结构的稳定性片石层路基结构内部传热机理是空气对流效应和片石层颗粒之问接蚀式 热传导的复合过程在半封闭系统条件下，冬季风速大时片石层内产生的倔向强迫通风效应和风速 小时自由对流效应为主的工作机理，有利于外部冷空气对片石层以下土体的侵入，但其降温效果比 开放条件要差一些；夏季空气对流复合过程对热空气向片石层底部土体侵入的阻挡效果抵消了接触 式热传导的负面效果，使片石层呈现隔热作用 本文通过实体试验工程地温场观测数据和青藏铁路五道梁冻土区片石气冷路基典型地段地温场 的观测数据证明了冬季的对流效应和夏季的热屏蔽效应对多年冻土的保护作用；同时通过五道粱冻 土区路基变形观测和工程调查验证了多年冻土的热稳定性是路基稳定的根本性保证；最后，分析了 不同气候条件对片石气冷结构降温效果的影响，预测了低温冻土区采用片石气冷路基结构的长期工 程效果 通过以上分析研究，作者认为冻土区路基的稳定性评价包括以下三个阶段：施工期热扰动及其 消散期、建设期地温场稳定形成期和运营期地温场变化期，评价侧重地温场形态及发展趋势和季节 融化层对路基工程状态影响两个方面根据作者的评价观点和评价方法以五道粱冻土区路基工程为 基础进行初步评价，认为低温冻土区采用的片石气冷路基结构在保护多年冻土，稳定地温场形态方 面的工程效果是可靠的；片石层对上部填土传递的列车动荷载的消散作用和对寒冻风化裂缝的抑制 作用保证了片石气冷路基季节融化层部分在冻融过程中的稳定，从而保证了列车平稳运行。 多年冻土区采用的片石气冷路基结构在保证冻土区线路基础稳定和保证季节融化层工程稳定 方面都具有特殊的可靠的工程效果 关键词：多年冻土；片石气冷路基；工程效果；地温；对流 分类号：u 2 1 3 1 “； t o o l 。c i 即珊缸粗a n d 幻g i - 哥i 舡疵o fi i b i l i t yo fr a i l w a y , t h e 蜘曲札h 瞻mc o o l s 岫蛔叫胁岫忙o fl o m l j l i o ne l 硎v d y 曲删g hi 血e fl l e a l l i m m 衙m h i n i 如o fr u l f l 址t k i n i n 却l co fl a c a t t 呦面苜i s m p l “懈w h i c hi s m 印岫d e dt , ye t l e c ta i rc o n v e c t i o ni i f r e ec o m , c c t i o ni nt h et i l n co fb r l e i j n d e rt h ee o n d u e l i o no fs m j - c n c l o l l e d t h e 舯岫o f o l x - , r a l i o no f 咖i 血gi st h a t 蛔删c o n v e c t i o ni nt l a cl a t e r a lo f 栅由姐h 峰m 缸m g i s t r l le t r l 叫t 缸 也e 缸o f 擘d ca n d 白a 舶w 蛔岫h 洮is l a l m i n 她缸o f h e e z 己h 黜l m b 1 8 y e l ri x o m e sl a c a ti m u l l t i o n 蛔l 如b e a t 掣i 柚鲫i sj 地i i l - t e df r o mt h eh 曲衄h 衅mf o r a , m p o m lc o n v e c t i o no f a i r t h ed 蛔o f 哦e 幽皿篮h 嘲w h i c hl u l te o n v e e l i o n 缸i n 岫岫a c t i o ni nt h e 咖f m l 恤t h c r l l i i li s o l a t i o ni nt h e 曲岫罅s l a m si st c s t i f i 甜t , yt h e 蛔白哪妇o f 佃呵崩咖m 胁 e n t i t y 倒n g 伽唧函fa n df l o r a 血r u b b l ee m l m l u n e n ti nw u d a o l i l n g a tt h el 地吐眦。i ti s i m i cg u a t a n t e ef o ra 吐帆h m 妇脚t o 嘲毗t h c r m ls t a b i l i t yf i - o mt l a ci n f o r m a t i o no f 出妇t i o nf r o mm i 蛔r i 雌a n d 曲萄蜊n gi n v e s t i g a t i o n a tl i l t , t h el o n g - m 翻o f c d o l i n gi s 蕾c 唾e a l 8 删c o n s i d e r i n gd i s s i m i l a re l l e e t si nd i t l e r c n tc l i m t 。i , c a o c t a c c o r a i n gt oa b o v ea n a l y s i s ，e v a l u a t i o no fp c m a 嘲e m b a n k m e n ti sd i v i d e di n t ot l a r s l l l g d l , t h a t i s , p c f i o d o f t h e l m a l d i s t a l t m a n ds l a k i n g o t e o m l m e t i 0 血i , c r j o a0 fs t a b i l i z a t i o n o t t c l n p e r a t l l t l r ca n d 弹喊o do lv a r i a t i o no ft e m p e r a t m co f 唧啊瓶t w oi n f l n c i n gf a c t o r sa m 锄i 山犯dj nt h ep r o c e s so fe v l l l l l l a l j o no fp c 和嗯缸斌e m b a n k m e n ti ti s 量c l t a i b l ef o rp e m l a f l 璐t 既曲m 山咖ts t a b i l i t y 的f o r ms t a b l et e m p e r a t u r es h a p e t kc t t e e t so fa i s s i p a t i o nt ot h ed y n a m i c l o a df a o mt n l i na n do f 蛐m i n i 玛o f 衔g i d | n dw c a t h c r i n gc r a c ka t e s t i f i e di nm 眦 c u i b a n k m 蚰t , t h 蛐越曲l 锺i l yo ft h ct h , v 峨l a y e ri n 砖姗i s 伽枷删，c o n q t u m t l yt kt r a i n 缸 w o r k e dp l a c i d i t yi no p e r a t i o np e r i o d t h e r ei sc r e d i b l ec i b dt oc 1 d i l i m 0s t a b i l i t yo fr a i l w a yf o u n d a t i o na n dt op r o t e c tc l i m a t e t h a w i n gl a y e ro ft h e b b ke m b a n l a n e i i ti np 锄a 丘o 唔t 眦 i k e y w o r i o $ ：p c 卸噙蛾r a b b l ee m b a n k m e n t ；g i n e e r i n gc f f e e t ；g r o u n dt e m p e r a l u 】r e ；l i t c o n v e c t i o n c h 鲫n a m l k r = 1 2 1 3 1 + 4 ：3 0 7 5 2 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致据库进行检索，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) 学位做作者繇砌扒细 i i i 滓i e t l p l ：纠年，月巧日 导师签名： 弓钐谚 t i 笋f e i i i i i ：知叩年，月￥日 北京交通大学博士学位论文独创性 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- 睚j 确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名：劭和抽 签字日期：7 卵7 年月日 i 致谢 本论文的工作是在我的导师张鲁新教授的悉心指导下完成的，张鲁新教授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在此衷心感谢四年来张鲁新老师对我的关心和指导 北京交通大学魏庆朝教授、许兆义教授、王连俊教授、刘建坤教授、何平研究员、白明洲教授， 杨成永教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的谢意 在撰写论文期问，北京交通大学沈宇鹛博士、原思成博士、杨永平博士、冯雅薇博士、王霆博 士、杨丽明博士、苏艺博士等同学对我论文中的各项研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我 的感激之情 共事于青藏铁路建设的中铁十四局集团公司教授级高工许兰民博士、高级工程师严学斌博士； 中铁十七局集团公司教授级高工段东明博士；中铁十八局教授级高工韩利民博士；中国科学院寒区 早区环境与工程研究所吴志坚博士、北京交通大学季文玉、邢朝晖老师等对于我在学习、工作和生 活上给予无私的帮助，在此也一并表示感谢。 另外感谢夫人和我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 青藏铁路二期工程格拉段( 格尔木一拉萨段) 穿越了世界上海拔最高、面积最大、 气候条件恶劣且有世界屋脊之称的青藏高原约5 5 0 k m 多年冻土地段，全线线路海拔高程 大于4 0 0 0 m 地段约9 6 5 k m ，在唐古拉山越岭地段，线路最高海拔为5 0 7 2 m ，为世界铁 路海拔之最。 从1 9 5 6 年铁道部第一勘察设计院对青藏线开始进行踏勘考察，青藏线格拉段勘测 设计与研究工作至今己半个世纪，对高原和冻土问题已进行了大量的科学研究和试验工 作，为铁路设计、施工创造了较好的前期工作基础。同时，我国从1 9 5 4 年开始修建青 康公路时，已接触高原多年冻土，经过5 0 年代末和7 0 年代改建，尤其是9 0 年代 对青藏公路的扩建，已经对高原冻土有了初步的认识，这些工程实践经验对青藏高原冻 土区铁路建设具有重要参考价值。 青藏铁路的填筑，给高原冻土工程带来了不少挑战。在青藏铁路清水河段，对不同 形式的路基进行了科学研究，并分析比较不同路基形式的降温效果。从各个项目试验段 的试验结果来看，主动保护冻土措施是合理而又可行的方案。青藏铁路主动保护冻土路 基的主要措施有热棒路基、通风管路基及片石路基等。 2 0 0 2 年，五道梁冻土区路基率先应用片石气冷路基结构，其初衷是作为缓解施工技 术规范对冻土区路基填土高度和填土季节的限制与青藏铁路施工工期要求之间的矛盾 而提出的。随着试验研究的深入和这种路基结构降低土体温度、保护冻土效果的显现， 青藏铁路建设开始在冻土区大量采用片石气冷路基结构。 无填土覆盖层的片石路基结构是一种最为理想的开放系统，在理想的开放状态下， 片石层路基结构内部传热机理是空气对流效应和片石层颗粒之间接触式热传导的复合 过程。冬季外部空气强迫对流效应和内部较弱的空气自由对流效应这种复合过程，以及 片石颗粒层面连续接触造成的接触式热传导过程，都有利于外部冷空气对片石层以下土 体的侵入，加速土体散热，降低土体温度。夏季空气对流复合过程对热空气向片石层底 部土体侵入的阻挡效果抵消了接触式热传导的负面效果，使片石层呈现隔热作用。 铁路运输动荷载的特殊性要求片石层上部必须具有一定厚度的填土覆盖层，线路纵 向坡度的限制使这种覆盖层厚度不一。因而构成了片石气冷路基结构在工程上都是以半 封闭系统存在的。在这种半封闭系统条件下，冬季风速大时片石层内产生的侧向强迫通 风效应和风速小时片石层上下层面温差造成的自由对流效应为主要工作机理，这种工作 机理有利于外部冷空气对片石层以下土体的侵入，但是其加速土体散热，降低土体温度 比开放条件下要差一些，夏季空气对流复合过程对热空气向片石层底部土体侵入仍然具 北京交通大学博士学位论文 有一定的阻挡效果，而填土层的存在使接触式热传导的负面效果减弱，因而片石层仍然 呈现隔热作用。 通过五道梁试验段片石路基与普通路基的地温比较，分析片石路基的降温效果；用 数值模拟片石的长期工作效果，并验证数值计算的合理性；预测全球气温升高的前提下， 片石路基的长期工作效果。 1 2 国内外研究现状 片石气冷路基的应用源自于人们早期对一定气候条件下块石堆底部多年冻土存在 现象的偶然发现，其后对这种现象的解释和机理研究结果坚定了把其推向工程应用的决 心。当把片石层进而发展成为一种路基结构，并在冻土区路基工程中广泛应用时，还需 要走过一段相当长的试验研究路程为此，国内外学者和工程技术人员进行了长期执着 的探索 1 2 1 片石层气冷作用的发现及研究 h a r r i s 在中国昆仑山垭口两年( 1 9 9 1 1 9 9 3 ) 的地温监测过程中发现，块石层下年 平均地温要比邻近细粒土下地温低7 1 ，其中块石层厚度为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块石层中空气的绝热作用以及冷季块石层下土体具有 较高的导热系数。由于受到初始观测设备限制，细粒土近地表下1 5 c a n 只有一个温度测 点，而块石层下温度测点最深可达9 0 c m ，因此所得温差结果对工程实践应用借鉴不大。 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块石下地温状态进行两年 ( 1 9 9 4 1 9 9 6 ) 的观测，对比分析发现块石下年平均地温比矿物土下要低年7 ，其中 块石块径大于2 5 c m ，块石厚度不详。该文还归纳出块石下具有较低温度状态的原因：c a ) b a l c h 效应：该理论基于冷空气的密度大于热空气这一事实，认为冷空气易于置换块石 孔隙中的热空气，从而达到降低块石层底部的温度。该理论不适应于地区冷季存在雪盖 的情形。( b ) 烟囱效应：该理论基于山地斜坡的观察研究。由于雪盖的存在，冷季斜坡 下部块石层中的热空气易于被上部较冷空气所置换，以此来达到降温的目的。c o ) 暖季 块石下堆积物中水，冰的蒸发升华作用：干旱地区偶尔的降水易使块石层下保持相对潮 湿状态，通过堆积物中水冰的蒸发，升华作用，消耗相变潜热来达到降温的目的。( d ) 与大气的连续气体交换：多风地区由于块石层表面裸露，使得大气与块石中空气热交换 频繁。 美国阿拉斯加大学的d o u g l a s 教授等在这方面做了大量工作，包括块石冷却路基的 数值模拟、模型试验及实体工程试验，充分验证了块石路基具有冷却路基及下部地基土 的作用。首先9 0 年代初在阿拉斯加f a i r b a n k s 附近建造了4 0 m 长的试验路基，路基采用 块径为5 8 c m 的块石建造，高度为2 5 m ，路基表面宽6 m ，坡比为1 ：2 。通过在路基及 2 第一章绪论 其下部地基土中布设一定的热敏电阻来观察其内部的温度状态。通过2 年的温度观测结 果表明块石路基对其下部地基土有着较强的冷却作用，并认为这种冷却效果来源于冷季 块石层中空气的对流。两年的观测中，块石层表面平均温度为2 ，而界面( 指路基与 地基土交界处) 的平均温度为1 2 3 6 ，这也暗示块石路基可以有效地消除路基下部 多年冻土的融化下沉。冷季与暖季的实测地温剖面有着很大的差异，暖季等温线基本上 呈现平行分布，而冷季等温线则呈现出非平行分布，说明块石层中有对流发生。1 9 9 6 年完成的数值对比计算中，采用非稳态有限元模型，边界条件及地基土特性均采用当地 情况，结果表明2 5 年后块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( 即块石层厚度) 2 5 m ，平均块径3 咖，孔隙率为4 0 。2 0 0 3 年又完成了类似的数 值计算，块石厚度2 5 m ，平均块径5 - 7 5 c m ，孔隙率为3 5 ，结果表明2 1 年后块石层 上下界面温度差异可达6 c 左右。两文中均通过冷季块石路基中温度场及空气流速矢量 图来强调块石路基的冷却效果2 0 0 0 年d o u g l a s 教授等又进行了块石层热状态分析的室 内模型试验及其数值模拟计算，试验装置采用封闭系统，模型箱尺寸长宽高为1 1 0 7 5 m ，块石块径为2 6 3 c m ，试验分顶部和底部两种加热方式，顶部加热情况下块石层 内部温度分布符合热传导方程，而底部加热情况下块石层内部温度场呈现非线性分布， 说明换热机制包括自然对流换热，并且三维数值模型结果与试验结果相吻合。 通过上述介绍不难发现，在自然条件下块石层下地温要比相邻其它土质下地温低， 对产生这种现象的解释主要集中在冷季块石层中空气对流的冷却作用。实体工程试验、 模型试验以及数值模拟计算中评价块石路基具有冷却路基的作用基本上采用对比的方 法，主要包括三种对比方式，其一是通过块石路基与普通路基的对比，主要对比界面( 路 基与原天然地表交界处) 温度，常常可以得到块石路基界面温度较低的结论，也即块石 路基具有冷却地基的作用；其二是对比块石层上下面的温度的温度位移( 自身作对比) ， 常常可以得出块石层下界面温度低于上界面的结论；其三是在数值模拟预测分析计算中 对比块石路基与普通路基下多年冻土上限的位置，常常可以得出块石路基下多年冻土上 限的位置要高于普通路基、并且普通路基下存在融化盘等结论。通过以上分析方法，可 以肯定地得出块石路基具有冷却地基、抬升冻土上限的作用，但这只是定性的结论，具 体工程实践中知道这些还远远不够的，我们只有知道了解块石的最佳铺设厚度、最佳块 径、最佳铺设位置以及适用的地质条件，才能经济而有效的保护路基下的多年冻土。 本文虽然主要是有关片石气冷路基结构问题的研究，但是所涉及范围包括对多年冻 土的工程性质、多年冻土路基工程设计原则、冻土区路基结构的分类、路基工程稳定性 评价等诸多方面研究。因此，熟习国内外对上述研究领域的研究概况，对达到本文研究 目的颇有益处。 1 2 2 冻土工程性质认识和研究 3 北京交通大学博士学位论文 冻土温度变化 冻土是一种温度强敏感土体，这是与其他岩土最为本质的区别温度的变化会导致 冻土一系列的力学行为变化，这种变化常常是复杂的，并直接影响到以冻土为载体的工 程构( 筑) 物的稳定性。具体地讲，温度的正负变化可使得土体中水分发生相变，这一 过程对于土体的强度和变形特性而言，可导致质的变化，并直接引发建( 构) 筑物地基 失稳，产生冻胀、融沉、融陷等灾难性后果。 冻土温度的变化受到气候、冻土岩性和地理环境及人为因素的影响。对于青藏高原 的冻土，近年来青藏公路沿线冻土地温监测结果表明，7 0 年代到年代青藏公路沿线 的季节冻土、融区及岛状多年冻土区的地温升高了0 3 _ 一d 5 ，连续多年冻土区年平均 地温升高了0 1 o 3 ；天然状态下北界向南退化0 5 - - 1 o k m ，南界向北退化1 2 k m ； 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 i 咖。由此可见， 叠加于冻土自然退化趋势之上的工程引起的冻土退化现象更为剧烈。此外，青藏公路沿 线大部分钻孔多年冻土层下限附近自下而上的热流大于自_ 卜而下的热流，二者比值为 0 9 1 - - 1 8 ，这将必然导致冻土下限的抬升，即冻土厚度的减薄。对于青藏铁路而言， 不当的工程措施、施工工艺造成的冻土退化、年平均地温升高、地下冰融化、多年冻土 上限下降等都会直接影响和威胁路基、桥涵、桥基等稳定性。此外，因铁路建筑是百年 大计，在考虑工程作用影响下的局部冻土变化的同时，全球气候变化的影响也须加以重 视。根据已有的研究成果 5 1 ，如果未来5 0 年年均气温及表层地温升高0 5 0 ，将主要影 响到厚度小于3 0 m 的多年冻土层，其年均地温将升高0 5 0 ，面积将减少1 2 1 6 。i o c c ( 政府间气候变化专门委员会) 2 0 0 1 年发布的预测称“全球表面温度预计在1 9 9 0 - - 2 1 0 0 年问升高1 4 _ 5 8 ”。青藏高原是全球变化的“启动器”和“放大器”，其升温可能更 多于全球平均值，最近的预测结果表明，到2 0 5 0 年“青藏高原可能很明显变暖2 2 - 2 6 ”阱。在这种气温升高的影响下，未来的3 0 _ - 5 0 年青藏高原现今存在的岛状冻土将有 踯退化，冻土面积减小1 0 一1 5 左右；多年冻土下界将抬升1 5 0 - - 3 5 0 m ，现今过 渡型冻土年均地温高于- 0 8 0 的地区将产生深埋藏冻土或冻土消失；亚稳定型及稳定型 冻土年均地温将升高0 5 _ _ o 7 ，其厚度有所减薄，但面积不发生变化，考虑到未来青 藏高原地区降水可能增加，可以在一定程度上减弱冻土的退化，但青藏高原在未来3 0 5 0 年内的退化趋势将是明显的。上述预测是“中国西部环境演变评估”课题的研究结 果，与以往的研究成果结论基本一致。 气温变化影响冻土性质 年平均气温反映了各地区地表辐射、热量平衡和大气环流的特点，是影响土体温度 的主要因素，因此被广泛用于判断多年冻土存在的一个标志。当前在温室气体的影响下 全球气温正在升高已是不争的事实。据i p c c 估计俐，2 1 世纪全球平均气温将增加约 2 5 ，可能的变化范围为1 4 5 8 0 。秦大河采用国际上通用的全球和中国气候模式， 4 第一章绪论 主要考虑气候的自然变化和人类活动造成的气候变化两个方面的综合影响，作出了到 2 0 5 0 年青藏高原气温升高约2 2 2 6 1 2 的结论1 1 1 】。 气候变暖导致多年冻土发生变化王绍令闭根据未来东亚气温与降水变化数据，预 测到2 0 4 0 年青藏高原上年均地温上升o 4 o 5 ，届时现在的岛状多年冻土将大部分消 失，多年冻土总面积明显减少。j i a nn i 等应用b i o m e 模型，根据o c m 气候输出结果， 认为到2 1 0 0 年连续多年冻土大部分将消失。李新等应用高程模型和g c m 输出结果，对 2 0 0 9 、2 0 4 9 、2 0 9 9 年进行情景预测，结果表明，多年冻土在未来2 0 5 0 年间不会发生 本质变化，多年冻土总的消失比例不会超过1 9 ，然而到2 0 9 9 年青藏高原多年冻土将 发生显著变化，小时比率高达5 8 南卓铜等的模拟结果也表示，在气候年增温0 0 4 的情况下，5 0 年后青藏高原多年冻土发生不同程度的增温现象，但不会有大规模的退 化嘲。中国科学院寒区旱区环境与工程研究所2 0 0 2 年度的科学报告研究了5 0 年气温升 温1 和升高2 6 两种气候变化背景，认为气温升高1 后，楚玛尔河高平原、秀水河 和北麓河盆地、沱沱河至通天河一带盆地铁路经过的绝大部分地区，全都演变成高温极 不稳定型的多年冻土其中沱沱河、通天河盆地部分地段演变成季节冻土区：气温升高 2 6 后，上述地区绝大部分演变成季节冻土区，少部分海拔相对较高地段成为高温极不 稳定型多年冻土。近年来，青藏公路沿线天然状态下多年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 妒0 5 ， 连续多年冻土区年平均地温升高了0 1 o 3 c 5 5 1 。低温稳定型多年冻土升温速率 一般在0 0 5 1 年0 朋；3 ，年，大于气温升温速率；低温基本稳定型多年冻土一般在 0 0 2 1 年0 0 5 1 年；高温不稳定型多年冻土一般在0 0 2 3 ，年0 0 2 7 ，年，它们 均低于气温升温速率。 在气候变暖的条件下，多年冻土的强度就会降低，特别是抗压强度和剪切强度降低 的更多，富冰冻土的蠕变速率增加。多年冻土和桩的冻结力减弱，如果桩基( 支撑管线、 桥梁或者建筑物) 座落在多年冻土中，由于活动层的融化将会发生冻胀现象，多年冻土 温度从_ 4 升高到1 将使其承载力减少7 0 【姗】。 冻土变化和工程稳定性 多年冻土变化将导致工程稳定性发生变化。这些变化主要表现为：1 ) 多年冻土地 温升高，导致上限产生变化；2 ) 地下冰融化，导致融化下沉；3 ) 地下冰融化，引起一 些次生冻融灾害；3 ) 多年冻土地温升高，多年冻土地温分区产生变化。在青藏高原西 大滩地带，1 9 8 3 年钻探揭示多年冻土底板埋深约为2 4 2 5 m ，现在地温监测结果显示 多年冻土底板埋深为2 0 m ，年平均地温上升约0 2 _ o 3 1 2 。年平均地温在0 n 5 地 温带中，冻土正在迅速变暖和变薄，多年冻土消失速度较快。 负温值是决定冻土强度因而也是决定冻土用作建筑物地基时的承载力的最重要的 因素。因此，将土从塑性冻结状态转变为坚硬冻结状态，不仅保证了冻土温度发生难以 5 北京交通大学博士学位论文 预料的变化时建筑物的高度安全性，而且也有极大的经济效益。冻土温度的降低，例如 从- 0 3 下降到i c ，可使桩基承载力增大2 j 倍，若温度降到2 ，承载力则增大3 8 倍 建筑在多年冻土地区的道路及铁路路基通常会使地基产生扰动，从而对其温度场有 很大的影响。在寒冷地区铺设道路及铁路会造成冻土状况( 环境) 的重大改变，结果破坏 了植被，使地表反射率及其透水性发生变化，同时使雪被改变以及地表水径流条件恶化。 发生这些现象主要是因为路基改变了事先存在的地表条件和与之相关联的地表能量平 衡地表能量平衡是季节雪盖、植被、大气辐射、地表含水量以及空气温度的复杂函数。 这些因素产生了年平均地表温度( m a s t ) ，它在有些方面不同于年平均气温( m 谢) 。 在没有扰动的地点，在冬季期问受绝缘的雪层的强烈影响l 删，m a s t 一般要比m a a t 高。由于道路路基的施工导致地表的扰动经常增加m a s t 和m a a t 之间的差别，造成 了更暖的地表条件。这通常会导致多年冻土的融化，引起路基的沉降。 冻土中水( 冰) 的存在决定了寒区工程建设独有的特点，由于多年冻土通常是富冰 冻土并且很容易达到它的融化温度，当公路或者铁路路基建于其上时就会产生很大的问 题。如不采取与一般条件不同的特殊措施和方法，就可能引起多年冻土区的工程建筑物 遭受冻害威胁，也可能造成严重的经济浪费。大量的工程实践表明，冻土区筑路遇到的 主要问题是冻胀和融沉，在季节冻土区主要问题是冻胀，在多年冻土区主要问题是融沉 以多年冻土为地基的寒区建筑物的破坏主要来自冻土地基放热而引起的冻土地基融化 下沉。 如果土体主要是由含有较高未冻水含量的冻结泥岩组成，那么当增加荷载的时候， 土体就会显示较高的蠕变速率。在冻结地基中，气候变化和热扰动引起预先冻结地基融 化和退化。如果地基冻结，反复的冻结融化会引起冻胀、融沉、沼泽化以及蠕变。地基 在几个冻融季节之后可能被破坏，这些问题在多年冻土地区最为显著。 上述过程造成路基及其附近地带的变形。由于线路出现不允许的倾斜的局部不均匀 下沉。以及变形迅速发展，列车行车速度受到限制。要使线路维护良好状态非常困难。 且材料消耗甚大，用于维护每公里下沉线路的费用，要远高于稳定地段许多倍。 上述情况造成了用于路基维护的非生产性费用以及在维修期问公路和铁路通行能 力的削减，从而对寒区道路与铁路设计提出了一些特殊要求。 冻土区路基稳定性问题是青藏铁路建设中一个冻土学理论和工程实践密切相关的 重大工程问题，一直以来都是科学研究和工程验证的重点。青藏公路修建过程曾经对这 一问题有过系统研究，青藏铁路开工以后，随着冻土区工程的全面推进，路基工程中出 现了许许多多与此有关的工程问题，引起科研人员和工程技术人员的重视。在冻土区路 基工程建设和病害调查基础上，结合试验工程以及理论研究，对路基稳定性问题进行系 统的研究，从冻土学理论和工程实际的要求进行详尽分析，总结工程建设期间路基稳定 6 第一章绪论 性标志和影响因素以及铁路长期运营期间路基稳定性标志和影响因素，并提出路基长期 稳定性的标准和保证路基长期稳定性的应对工程措施。成为青藏铁路建设中正在广泛认 识的主要技术问题。 冻土区环境温度、岩性、水分、与大气接触的地表形态和冻土温度是土体冷生过程 的主要影响因素。填土路基中发生的冷生过程，从宏观概念上讲，就是土体的冻结融化 过程和路基温度场的形成过程。理论分析，现场监测和工程实践表明，这种以冻结融化 现象为主要表现的冻土冷生过程是青藏铁路冻土区路基变形的主导和控制性因素。研究 伴随这个过程发生的冻胀融沉变形，研究路基地温场形态决定的路基变形及其调控措 施，具有重大工程意义。 填土路基中周而复始的发生的冻融循环过程由太阳辐射造成的环境温度差异决定， 通过不同温度、水分的路基填土和基底土体来体现。发生冻融循环的土体厚度决定了冻 融循环过程中土体变形的动态变化，填土路基冷生过程稳定以后( 路基工程人为上限形 成以后) ，季节融化层厚度决定了路基冻胀融沉变形大小。填土路基变形由季节融化层 土体冻胀融沉变形、冻土压缩变形、冻土长期蠕变变形组成。其冷生过程最终结果是： 稳定的季节融化层形成，不均匀地温场形态( 等温线位置和形态) 形成，冻土温度相对 稳定，这是决定路基变形三个组成部分的三个控制性因素。控制填土路基冷生过程稳定 时间，控制填土路基冷生过程的结果( 地温场形态，季节融化层厚度，冻土温度) i 有利 于减少冷生过程中和铁路运营过程中的路基变形，减小变形不均匀性，保证冻土区路基 工程的长期稳定性。 1 2 3 冻土热稳定性和路基结构研究 冻土路基的稳定性，主要体现在路基修筑后的一定时间内，路基不致因原冻土热平 衡的破坏而形成灾难性的变形。保证路基的稳定性，即是通过合理的工程结构、施工工 艺建立路基与原冻土间热一力平衡的过程，新的热平衡必须满足路基力学稳定性。为此， 在无法恢复原始热平衡条件的情况下，就需要采取调控其它影响因素的方法，如调控新 体系的对流、辐射和热传导条件等，达到建立路基与原冻土间新的热一力平衡体系。 冻土地区铁路路基工程实践 在冻土地区进行铁路工程建设所面临的困难，不仅在青藏高原表现明显( r g 管该区 更具有复杂性和困难性) ，在世界上其它冻土地区同样存在，只不过突出的程度和特点 不同而已。尽管如此，世界上在多年冻土地区仍修筑了许多铁路干线【1 0 u j 。在北美，铁 路网主要分布在多年冻土区的南部，但在马尼托巴和魁北克多年冻土地区也建立了干 线。在冻土地区修筑铁路最多的是世界冻土第一大国俄罗斯，本世纪2 卜3 0 年代，俄 罗斯开始在多年冻土地区修筑铁路，6 0 一7 0 年代达到了高潮，已建成的1 8 0 0 k i n 以上的 铁路干线共有7 条。其中最著名的是第一条横贯西伯利亚大铁路，从莫斯科出发到太平 7 北京交通大学博士学位论文 洋海岸的符拉迪沃斯托克，是世界上最长的连贯铁路，全长9 4 4 6 k m 。西伯利亚大铁路 在东西伯利亚外贝加尔靠东部地段穿过了多年冻土区i 蚓，此线跨越多年冻土区达 2 2 0 0 1 n m 以上。2 0 世纪7 0 年代末期建成的新西伯利亚铁路贝加尔阿穆尔铁路( 简称贝 阿铁路) 干线则通过多年冻土带3 5 0 0 k m 以上1 1 ，正在建设的别尔卡基特一托莫特一雅 库茨克铁路，全长8 1 7 k i n ，1 9 8 4 - - 1 9 9 5 年已完成了别尔卡基特一托莫特段路基工程，长 3 7 5 k m ，属富冰多年冻土地区。 我国在多年冻土区兴建的铁路工程有，大小兴安岭地区两条主要铁路干线：牙林线 和嫩林线，穿越的多年冻土共有8 0 0 k m 左右；西部地区有两条铁路，其一是青海海西热 水线，其二是穿越天山的南疆铁路。但上述铁路在建成后都不同程度地出现了冻融病害， 以贝阿铁路为例【1 2 1 ，从1 9 8 4 - - 9 9 0 年，线路路基的变形数量增加了4 倍，每年的增长幅 度为2 卜_ 5 3 。1 9 8 1 年线路上出现7 3 8 处路基变形，总长2 2 4 2 i 皿；1 9 8 9 年线路出现 3 6 4 5 处路基变形，总长为1 1 3 8 9 k m ；1 9 9 0 年变形线路长达1 1 5 4 k m ，即实际上有1 ：3 的 线路路基需要治理和进行大修，路基变形病害包括冻胀、沉陷及边坡失稳，有时不同病 害同时出现在同一个地方。 上述多年冻土地区的铁路建设实践及所出现的路基病害表明，对于青藏铁路而言， 有许多值得借鉴和参考的成功经验，但大范围路基变形的失败教训也必须加以考虑。此 外，由于上述铁路穿越的多年冻土地区的气候、冻土环境等与青藏铁路所处环境有很大 的差别，单纯的照搬是不可取的，必须加以批判的吸收。在此点上，由于冻土的地域特 性明显，这种工程经验的引用方式就显得更为重要了 多年冻土地区路基结构研究 如前所述，冻土是温度敏感性岩土介质，除温度外，影响其稳定性的因素还包括岩 性、含水量、地热以及工程作用。这些因素中，只有工程的影响是人为因素，也是维持 和调控地温的主动因素。目前已有的工程措施，从对地温影响的方式角度出发，可以划 分为被动措施和主动措旆两大类，前者主要指维持地温的原始状况或减缓冻土的退化， 后者是积极主动地改造冻土的热状况，使其向有利于工程稳定性的方向发展。 被动工程措施主要包括以下一些内容： ( 1 ) 改变土体表面热辐射条件，如k o n 仃a t i “v g ( 1 9 9 6 ) 介绍的，将路基表面或 边坡面涂刷白色油漆，或在路基面处铺设白色碎石【n1 4 1 ；修筑遮阳避雨棚【1 4 1 5 1 ；冬季 清除路基表面及两侧的积雪，以保持路基土体与大气间的辐射条件。 ( 2 ) 改变路基土体与大气及原冻土热传导状况。对基于这一原理的工程措旋应用 和研究较为深入广泛。其中研究最为广泛的是保温材料措施1 1 6 - 2 0 l 。早在6 0 年代，美国 就有将保温层用于保护多年冻土的专利提出。6 0 年代末，在美国阿拉斯加k o t z e b u e 机 场建设中，在跑道填土中采用了聚苯乙烯保温层。7 0 年代初，加拿大在多年冻土区砾石 公路上进行了保温层试验研究。俄罗斯在修建贝阿铁路时，在部分区段道碴下及边坡上 8 第一章绪论 使用了泡沫板材料i 捌。上述工程研究表明，隔垫层的工程效率较好 另一种措施是改变路基高度，即确定一个“合格”的路基高度，保护其下冻土不致 退化对于路基高度的研究可能是冻土区路基研究中的最早内容1 2 1 1 在我国，六十年代 前后，由于大兴安岭等地区的开发，开始了对多年冻土地区路基工程及其高度问题的研 究七十年代以来，开始了大规模的高原多年冻土地区道路工程的研究。朱林楠( 1 9 眇) 从能量再分配的平衡原理出发，讨论了冻土路基临界高度的近似计算方法阎；吴紫汪 ( 1 9 8 3 ) 通过大量的现场调查研究，得出了青藏公路沥青路面的临界高度【硼；黄小铭 ( 1 9 8 3 ) 根据大量的现场观测研究，得出青藏高原风火山地区粘性土路基的上临界高度 洲；袁筱林通过二维数值计算分析了冻土路基的l 临界高度【2 5 1 此外，已有专著对( 冻 土路基工程 ) 青藏公路冻土路基的临界高度与设计高度问题作了详细的讨论陋1 上述被动工程措施的出发点在于克服或延缓由于冻土退化造成的路基破坏，在长期 的冻土退化背景下，路基仍然可能会出现一系列的问题，并需要不断地投入维护费用 主动工程措掩主要包括以下一些内容： 主动地温调控措施主要包括调控传导和调控对流的方法，前者包括利用潜热和采用 热半导体材料，目前，冻土工程国家重点实验室正在开展此方面的研究工作。 已有的调控对流的方法包括通风路基、碎( 片) 石路基及冷桩通风路基是本文的 核心研究内容，对其研究现状将单独在下节中介绍。 碎( 片) 石路基，其原理是应用碎( 片) 石堆砌体冬季蓄冷夏季隔热的效能，曾应 用于贝阿铁路级融沉性富冰和永久冻土地区i 廿1 。在我国1 9 7 3 年热水线修筑时部分区 段曾使用了碎( 片) 石路基，发现碎( 片) 石路基在保护多年冻土方面是有明显的优越 性l 靠2 b 】。 热棒是利用汽液两相转换，通过对流循环换热来实现热量传输的装置。早在1 9 6 3 年，美国的i o n g e l 就曾介绍将热棒应用于保护冻土地基稳定性的方法1 2 9 1 ，之后就得 到了较为广泛的应用【矧。我国开展热棒研究始于舳年代，并曾在青藏公路可可西里山 区段进行了少量试验，其结果较为满意 除上述主动措施外，人工冻结技术也可应用于冻土地基的保护，但由于其造价高， 常在抢险或重大工程时才可得以应用1 3 1 3 3 】。 碎( 片) 石路基、热棒路基、人工冻结法、通风路基都是出于积极主动保护冻土的 工程措施，但考虑到热棒和人工冻结法的工程造价，以及碎( 片) 石在青藏铁路建设中 的开采、运输困难，三者都存在着具体应用上的局限性，因此，有必要对另一种方法一 一通风路基进行深入了解和研究 片石气冷路基工作原理研究 俄罗斯在1 9 世纪末就在多年冻土地区开展了铁路工程和永久性城市建设，在2 0 世 纪6 0 - 7 0 年代达到高潮。对于片石通风路堤结构，前苏联在2 0 世纪3 0 年代就曾应用于 9 北京交通大学博士学位论文 多年冻土地区等级较低的铁路线的沼泽湿地地带，做为一种捧水建筑物称。渗水路堤”， 在某些地段用以代替小桥涵。从7 i 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。俄罗斯西伯利亚贝一阿干线采用的 大片石做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。美国、加拿大等国家也在多年冻土区进行了片石通风路基的相关试验 研究，对其应用推广和发展起到了积极的作用。 我国多年冻土地区已修筑的铁路主要在大小兴安岭，以牙林线和嫩林线为主，通过 冻土地段约8 0 0 1 1 a n 左右。西北地区的热水支线和穿越天山地段的南疆铁路通过岛状冻土 区，属高山冻土下界最不稳定的冻土带，经多年运营实践，线路状态存在一定的稳定问 题。在这些地段，很多科研单位也曾进行过块片石通风路基的试验研究。 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，在风火山进行了碎石路基工程试验。路基顶面 宽度7 4 米，长柏米；碎石层厚度平均1 2 3 米；碎石为风火山紫色铁质胶结细砂岩， 块径5 8 e 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。由于青藏铁路在1 9 6 0 年底暂停修建以及科研机构变动等原因，试验观测推 迟于1 9 6 2 年1 0 月开始至1 9 6 4 年9 月结束。观测资料表明，倾填碎石层在保护多年冻 土方面有特别良好的性能，即倾填碎石层在暖季能有效减少热量传入地基中，有明显的 热屏蔽效应，而在寒季能显著提高冷量的传入，对多年冻土可起到很好的保护作用。 1 9 7 3 年，中科院寒区旱区研究所在青海省祁连山北麓热水地区修筑了片石通风试验 路堤。试验路堤于同年5 月动工修筑，7 月下旬竣工。试验路堤东西长1 1 m ，南北宽7 5 m ， 堤高2 7 m ，路堤底部用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。同时在该试验地还有进行了 碎石亚粘土对比试验路堤。通过对碎石亚粘土试验路堤地温观测资料对比结果表明，片 石通风试验路堤能够提供较理想的试验数据，在保护多年冻土方面具有明显的优越性。 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建了碎石护坡试验工程，通 过观测资料分析，碎石护坡对保护多年冻土边坡的稳定性起到了很好的作用。 制定保护多年冻土区建筑物和交通工程地基土温度状态的控制手段，无论从科学的 观点还是从实际的观点来看都是一个重要问题。解决这一问题的关键就是：找到将冷量 传至土中的最有效的方法以使年平均气温和土温之差最小【1 删 从传热理论来讲，调控辐射、调控对流和调控传导均可有效地调控路基温度场。通 过多年的寒区工程实践与研究，人们提出了许多技术来减少多年冻土地区路基的融沉。 通常，这些技术可以被分为三类1 1 6 8 ： 1 ) 为了降低年平均地温，修改路基表面条件：2 ) 在冬季期间增加从路基地基结构 中的散热能力；3 ) 在路基内部或者路基下采用变导热系数材料或者保温材料。 第一章绪论 方法1 ) 和方法2 ) 产生冷却效果( 如果措施的力度足够大) ，从而起到消除热融沉 的目的；方法3 ) 采用增加热阻抗的方式来减缓融化速度，使其在能够控制的范围之内。 已经采用的改变地表的条件的技术主要包括抬高路堤高度、使用遮阳棚、将沥青路面粉 刷成浅色来增加反射率( r e c k a r d ，1 9 8 5 ) 、利用雪盖阻止热量向地基传送以及去除路基 边坡的雪( 7 _ , a r l i n g & b r a l e y ，1 9 9 8 6 )