（道路与铁道工程专业论文）青藏铁路多年冻土区站场路基温度场模拟与沉降变形研究.pdf

摘要 路基工程是青藏铁路的基础和关键工程。路基工程的修建，改变了青 藏铁路多年冻土区路基基底多年冻土的热量平衡状态，从而使整个地温 场、冻土的上限以及冻土活动层的厚度都发生了变化，使路基各部分产生 不均匀的沉降变形。 站场路基的宽度为单线普通路基宽度的两倍，整个路基断面形式、尺 寸都和普通路基不同，因此路基整体的传热性能和传热特点都和普通路基 有区别。站场路基在修筑后的地温响应过程及特点是我们分析站场路基的 变形特征以及站场路基稳定性问题的基础。 本论文从两方面对多年冻土区的站场路基进行了初步的研究。 首先是在青藏铁路清水河进行了现场的工程试验一“站场路基试验研 究”，通过对站场路基接近两年的测温数据的分析，总结了冻土地温的变 化规律特征以及其下多年冻土人为上限的变化规律，通过与其它宽度以及 断面形式的路堤的对比，分析了站场路基宽路堤对多年冻土的影响。并结 合地温的变化对路基的变形特征进行了分析。 其次是根据多年冻土区土冻融过程相变温度场分析原理，利用a n s y s 有限元软件，结合试验段路基的几何尺寸、具体的地质情况以及气候状况 对站场路基的温度场进行了模拟计算，模拟了在全球气温升高的环境下， 未来5 0 年，路基下人为上限的演化规律以及路基各部位的最大季节融化 深度。最后在模拟的最大季节融化深度的基础上，对站场路基的变形进行 了预测计算。 本文的主要创新点及结论：1 ) 通过将站场路基与其它宽度以及断面 形式的路堤相应测试数据的对比及分析，得出站场路基的宽路堤对多年冻 土的保温效果较好，利于维持其下多年冻土的稳定；2 ) 建立了站场路基 温度场的计算模型，并以模拟的最大季节融化深度为核心参数，对站场路 基的变形进行了预测计算；3 ) 在数值模拟的基础上，提出了多年冻土区 铁路路基工后沉降的不同含义。 【关键词】：多年冻土，站场路基，温度场，路基沉降，预测 a b s t r a c t e m b a n k m e n t e n g i n e e r i n gi st h eb a s i co f t h eq i n g h a i - t i b e tr a i l w a ya n di so r 砖o f t h e k e ye n g i n e e r i n g i nt h ep e r m a f r o s tr e g i o n t h ec o n s t r u c t i o no fr a i l w a yw i l lc h a n g et h e t h e r m a lb a l a n c eo ft h ep e r m a f r o s tu n d e rt h er o a d b e d ，t h ew h o l et e m p e r a t u r ef i e l d ， p e r m a f r o s tt a b l ea n dt h et h i c k n e s so ft h ea c t i v el a y e rw i l la l s oa i t e r s ot h er o a d b e dw i l l p r o d u c ed i f i e r e n t i a ls e t t l e m e n t ，a n dt h i sw i l ia f f e c tt h es t a b i l i t yo f t h er o a d b e d t h ew i d t ho fy a r d - a n d - s t a t i o nr o a d b e di st w i c eo v e rc o m m o n s i n g l e - t r a c k e m b a n k m e n ta n dt h ec r o s s s e c t i o n l a y o u ta n dt h ed i m e n s i o no ft h ee m b a n k m e n ti s d i f f e r a n tf r o mt h ec o m m o ne m b a n k m e n t s ot h ew h o l ee m b a n k m e n t sp r o p e r t yo fh e a t t r a i l s f e ri sa i s od i f f e r e n tf r o mt h ec o m m o no n e w h e nt 1 1 ec o n s t r u c t i o no f y a r d a n d s t a t i o n r o a d b e di s c o m p l e t e d t i l ep r o c e s sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h eg r o u n dt e m p e r a k n e r e s p o n s ei st h ef o u n d a t i o nf o ra st oa n n l y z et h ed i s t o r t i o na n ds t a b i l i t yo f t h er o a d b e d t h i sd a p e rt e l l ss o m er e s e a r c ho f y a r d a n d - s t a t i o nr o a d b e di np e r m a f r o s tr e g i o nf r o m t w oa s p e c t s f i r s t l y , w ea r ed o i n gar e s e a r c hp r o j e c tn a m e d “t h er e s e a r c ho fy a r d - a n d s t a t i o n r o a d b e di np e r m a f r o s tr e g i o no f q i n g h a i - t i b e tr a i l w a y a n dt h i sp r o j e c ti sb a s e do nt h e f i e l d e x p e r i m e n t i n o i n g s h u t h es e g r a e n t o fq i n g h a i - t i b e tr a i l w a y b a s e do nt h e e x p e r i m e n t a ld a t ao fq i n g h a i t i b e tr a i l w a y se x p e r i m a n t a t i o np r o j e c t ，t h ep a p e ra n a l y z e s t h ec h a r a c t e ro fy a r d a n d s t a t i o nr o a d b e d st e m p e r a t u r ef i e l da n da r t i f i c i a lp e r m a f r o s t t a b l e a l s od i s c u s s e st h er u l eo ft h ep r o c e s so fe m b a n k m e n t sf r e e z i n ga n dt h a w b a s e do n t h ea n a l y s i so f t h eg r o u n dt e m p e r a t u r e ，w ea n a l y z et h ed i s t o r t i o nc h a r a c t e r s e c o n d l y , w es i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ey a r d a n d s t a t i o nr o a d b e db y u s i n ga n s y sf i n i t ee l e m e n tm e t h o ds o f t w a r e i n t e g r a t i n gt h ee m b a n k m e n t sa c t u a l d i m e n s i o n ，t h eg e o l o g i ce o n d l t i o na n dt h ec l i m a t ec o n d i t i o no ft h ef i e l de x p e r i m e n t e s p e c i a i l y , w es i m u l a t et h ee v o l u t i v ed i s c i p l i n eo f t h ee m b a n k m e n t sa r t i f i c i a lp e r m a f r o s t t a b l ea n dt h em a x i m a ls e a s o nt h a wd e p t ho f t h ed i f f e r e n tp a r t so f t h ee m b a n k m e n ti nt h e f u t u r e5 0y e a r s i nt h ee n d ，b a s e do nt l l em a x i m a ls e a s o nt h a wd e p t hw h i c hi ss i m u l a t e d ， w ec a l c u l a t ea n dp r e d i c a t et h es e t t l e m e n to f t h ey a r d a n d - s t a t i o nr o a d b e d t h em a i nc r e a t i v ec o n t e n to ft h i sp a p e 1 ) t h r o u g ht h ec o n t r a s ta n a l y s i sb e t w e e n d i f r e r e n te m b a n k m e n t sw h o s et r a n s e c ta n dt h ed i m e n s i o ni sd i f r e r e n tf r o mt h e y a r d - a n d - s t a t i o nr o a d b e d w ec o n c l u d et h a tt h ew i d e re m b a n l a n e n t si sm o r eh e l p f u lt o p r o t e c tt h ep e r m a f r o s t 2 1w bs i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ey a r d - a n d s t a t i o n r o a d b e d ，a n db a s e do nt 1 1 em a x i m a ls e a s o nt h a wd e p t hw h i c hi ss i m u l a t e d w ec a l c u l a t e a n dp r e d i c a t et h es e t t l e m e n to ft h ey a r d - a n d s t a t i o nr o a d b e d 3 1b a s e do nt h es i m u l a t i o n w e p u tf o r w a r dt h es p e c i a lm e a n i n go f m i l w a yr o a d b c d ss e t t l e m e n ta f t e rc o n s t r u c t i o ni n p e r m a f r o s tr e g i o n k e y w o r d s ：p e r m a f r o s t ，y a r d a n d - s t a t i o nr o a d b e d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，r o a d b e ds e t t l e m e n t , p r e d i c t i o n 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 地球陆地总面积约为一亿四千九百五十万平方公里，多年冻土占整 个陆地面积的五分之一，即三千万平方公里。我国多年冻土面积约2 1 5 万 平方公里，占国土面积的2 2 3 ，我国多年冻土主要分布在西部的青藏高 原以及阿尔泰山、天山、祁连山、横断山，东部的太白山、五台山、长白 山和大兴安岭南端的黄岗梁山“1 。 正在修建的青藏铁路格尔木一拉萨段全长1 1 1 8 k m ，穿越多年冻土区 长度为6 3 2 k m ，其中穿越大片连续多年冻土区长度约为5 5 0 k m ，其余8 2 k m 穿越岛状不连续多年冻土区，全线海拔4 0 0 0 m 以上的地段长约为9 6 5 k m 。 在这样的地区修建铁路，必须考虑多年冻土的冻胀、融沉以及伴随冻融过 程发生的力学、热学及化学等现象。 在多年冻土地区修筑建筑物有很多成功的例子，1 9 7 4 年建成的西伯利 亚铁路以及随后修建的新西伯利亚铁路，北美高速公路、油、汽管道、矿 井建设等大工程在多年冻土区成功的建设和运营，积累了很多成功的经 验。这些经验对我国青藏铁路的建设大有帮助。3 。 1 2 冻土 冻土是一种温度低于o 且含有冰的土岩。冻土中的冰以冰晶或冰层 的形式存在，冰晶可小到微米甚至纳米级，冰层可以厚到米或百米级，从 而构成冻土中五花八门、千姿百态的冷生构造。 冻土是一种特殊土类，其特殊性主要表现在它的性质与温度密切相 关。常规土类的性质主要受其颗粒的矿物和机械成分、密度和含水量的控 l - 第一章绪论 制，只要遮魑因素一确定，土的性质簸整本稳定，戮此多半表现为静态特 性。冻土就不一样了，冻土的特性除与上述因素有燕外，还受含冰量的控 裁，两含域爨童接与湿凌襁关，湿度梦 蠢含冰量躐，l 、，温度降低食球量增 高。在人癸生产活动的深度范围内，由于气候季节变化，引起漩的变化 是不可避免的，因此冻土的性质随时都在变化，表现为动态特性。所以冻 土是一静对激发分敏感强健质不稳宠的主体。 根据冻土存在的时间长短，地球土主要分布两种冻土：种称作多年 冻土，即两年或两年以上处于冻结状惑，只有表层几米的土层处于夏融冬 猿豹状态，该层逛称秀零葛融化层或零节活动层。爨静弥 乍季节壤土， 即只在地表几米范围内冬攀冻结，夏攀消融，该层也称为季节活动层”。 1 2 。1 冻土工程性质 冻土具肖冻胀特性和融沉特性。冻胀是指土冻结过程中，土中水分( 含 外界向冻结铎面迁移的水分及孔隙中原有的部分水分) 冻结成冰，形成冰 层、猿透镶侮、多鑫薄冰螽等溶侵入钵，雩l 超粒溺稳对位移，嫠体产 生扩胀的现浆。融沉是指猩建筑物及其热力作用下，冻土地基产嫩融化， 伴随着土的系列物理力学性质的改变，地基将产生自重作用下署艟旖载作 鹰下熬簸纯下菠帮歪缩下淀蹈。 1 2 2 冻土环境及其热稳定性 冻土环境是指冻童存、发展和变化所依赖的周围定范围内的客观 地质实体，它有着自身的演变规律。在人类社会不断发展过程中，改造自 然、裂曩鸯然必然会引起寒速冻土嚣境变纯窝失鬻。滤繇笺是寒逸琴凌 冀要的组成部分，受寒区环境中其他环境因子的制约，如气候环境、地质 环境等。主戮影响因素可以分为外部因潦和内部因索。外部因素一般指气 2 一 蕊一章绪谂 候因素、地形地貔、第四纪地质因素、人类活动因索等。气候因素如气温、 降水、辐射平衡、积雪等；地形地貌、地质因素如海拔、纬度、坡度、坡 扁、下垫瓣特经簿；人类活动困豢如a 为麴筑的寒基建筑物、工疆开挖、 铲除植被锋。内部因素主要为土质、含水蹩、含冰量、年平均地温等。内 熬透素影藏冻零质特缓，拜嫠戮豢控裂裟嶷终涛帮嚣素瑚。 1 2 2 1 自然条件下的冻士环境变化 全球健静气谈转暖缓棱谨是深刻遣激变着毒藏铁路潞线静多年冻 环境。气温变化是冻土环境改变的动力，多年冻土区活动层厚度增大、多 年冻土遐他、遣下球融纯、冻土趣温升高是冻环境改交的主要标志。 多年冻土退化的结果，造成平面分布隧域的改变，垂崽割面上的不衔 接，多年冻土活动层厚度的增大带来地下水位的下降，地袭土层水分减少， 搜毒寒滔潺革匈蔡漂逐渐演变为越寒莩键攀愿，攘物秽羼变纯，掇携覆轰 度降低，加速草场退化，土地沙化和荒瀵化，也带来生态环境的恶化。 2 。2 。2 入必条佟下戆冻：龟环境婺诧 人为条件下的冻土环境主要魁因为开挖地表、铲除植被、修筑路堤改 交天然建袭毪捩等，这些帮将产生强烈的熬侵蚀作震，改变主体与大气之 间的热交换条件，从而使地气之间相互作用的产物冻土濑度场发艇变化， 导致多年、练土中冰一水一地溢等的平衡状态变化，加剧或引起更多的冻土环 境工程地履闯题。这些寒送工程建设中妁入类工程一经济活动严黧手拢了 冻土环境的自然平衡能力，产生了一系列的变化： 矗。骧退他t 壕豢1 0 爨交纯，垂羹粼瑟上瓣褥接交忿。 b 蛾面破坏母致热融湖塘和洼地的发生和发展，地淡开挖改变了下 垫稀褥蕊，遗藏戆寝温度秀嵩，冻主上隈鬻近遥下球融位，产生熬融沉陷， 水分的下渗导致攀节融化深度加大，冻土地温逐渐升高，冻土稳定性发生 交化。尤藏在高添冻土区，这种变化最终弹致冻的退化。 c 在蕙含冰爨、坡度较陡的地段，地表破坏会产生强烈的热侵蚀作 第一章绪论 用，冻土上限附近的地下冰层融化，产生热融滑塌和融冻泥流，影响铁路 路基的稳定性。 1 2 2 3 冻土热稳定性 冻土热稳定性主要是指冻土在人类活动以及外部热扰动影响下能够 维持多年冻土的冻融过程和原有多年冻土年平均地温的能力，主要反映外 部热量对多年冻土年平均地温的影响程度。多年冻土年平均地温是多年冻 土能量即冷储量的表现，是影响工程建筑物稳定的最本质的因素。 1 2 2 4 冻土地温及地温分区“ 地温是多年冻土动态特征的重要标志。随时间和深度变化的地温，不 但反映着该处冻土的发展和演变，而且也反映了冻土的现代特征。对多年 冻土来说，地面温度、年平均地温、垂直剖面上地温梯度的变化是判断多 年冻土生存条件和发展变化趋势的主要特征指标，同时也是评价冻土稳定 性的重要指标。研究地温的变化就是要研究在气温变化的条件下，上述变 化的波动周期和变化幅度。 多年冻土的地温特征决定了多年冻土的热稳定性，决定了工程建筑物 的设计原则和施工技术原则，过去科学研究工作和公路改建工程采用了不 同的地温分区原则和方法，青藏铁路建设对多年冻土的地温分区，主要是 根据多年冻土的年平均地温值b 进行划分的： 当o c t 。一0 5 时，为高温极不稳定多年冻土亚区( i ) ； 当一0 5 。c t 。，一1 o c 时，为高温不稳定多年冻土亚区( i i ) ： 当一1 o c t 。- - 2 o 。c 时，为低温基本稳定多年冻土亚区( ) ； 当k 一2 o c 时，为低温稳定多年冻土亚区( i v ) 。 1 3 多年冻土区铁路路基主要工程地质问题 冻土是一种特殊土体，其成分、组构、热物理及物理力学性质均有着 第一章绪论 不同于一般土的许多特点。多年冻土的季节融化层( 活动层) 每年都发生 季节性的冻融过程，并伴随发生各种不良冻土地质现象，产生一系列的工 程地质问题，主要有融沉、冻胀和不良冻土地质现象。 1 3 1 融沉 多年冻土上限附近往往存在厚层地下冰及高含冰量冻土层，由于埋深 较浅，很容易受天然因素或人为因素的影响而发生融化下沉，这是多年冻 土区建筑物地基变形和破坏的主要原因。 铁路路基的修建改变了地表的水热交换条件，并引起基底土层压缩， 使多年冻土地温场发生变化，这些变化有可能使冻土上限下降造成地下冰 的融化，而路堤本身的存在增加了热阻，是有利于上限上升的因素。在高 温冻土区，在夏季施工的路堤高度超过一定值时，堤身内的蓄热造成地下 冰的融化，使路堤下沉。此外，路基的修建改变了地表和地下水的径流条 件，若地表排水不当造成路堤积水，水体的热作用将使地下冰融化而导致 路基下沉甚至发生突然沉陷。地表条件的变化将引起冻土上限的变化，保 护地表植被是维护路基稳定的重要措施。 1 3 2 冻胀 多年冻土的季节融化层随季节变化产生周期性的冻融循环，土体中所 含水份在负温条件下冻结导致土体冻胀。冻胀受土的类型、水份补给条件、 含水量、土中盐分、冻结速率、外压力的制约，是产生某些冻胀现象和建 筑物冻害的主要原因之一。冻胀的主要表现为土层表面不均匀的升高，如 建筑物的基础埋在冻胀土中将受冻胀力的作用，当建筑物的抗拔力不能克 服冻胀力时，建筑物将被拔起导致破坏。一般情况下，低温冻土区多年冻 土的季节融化层的厚度不大，且存在双向冻结，冻结的速度较快，冻胀相 s 第一章绪论 对比较轻微，高温冻土区多年冻土的季节融化层厚度较大，冻结速度较慢， 冻胀较为严重。由于路基填筑材料的不均匀，或不同岩性或水文地质条件 地段路基过渡处理不当，可能引起不均匀冻胀，使线路在平纵断面上失去 平顺性，这在铁路修建中应该特别注意。 1 3 3 不良冻土地质现象 多年冻土区广泛发育的厚层地下冰、热融滑塌、热融沉陷、热融湖 ( 塘) 、冰椎、冰丘和爆炸性充水股丘会对修建的铁路产生很大危害。其 中广泛且十分发育的厚层地下冰是形成热融滑坍、热融沉陷、热融湖( 塘) 及造成铁路变形的基本内因“1 。 由于自然营力或人为活动，破坏了有地下冰分布的倾斜坡地的热平衡 状态。土体在重力作用下沿融冻界面移动而形成滑坍，称为热融滑坍。热 融滑塌路基边坡失去稳定性，也可能使路基被融冻泥流物堵塞或掩埋。青 藏公路每年夏季均被该滑坍体的融冻泥流掩埋，严重危害了青藏线的运输 畅通。 热融沉陷和热融湖( 塘) 是由于自然营力或人为活动，破坏了多年冻 土的热平衡状态，使地表下沉所形成的凹地，称为热融沉陷；当该凹地积 水时称为热融湖( 塘) 。 冰椎、冰丘、爆炸性充水股丘是多年冻土地区与地下水活动有直接关 系的特殊不良地质现象，对铁路干线和建筑物危害很大，如青藏公路惊仙 谷段冰锥，常在冬季堵塞桥孔、掩埋公路，养路工人年年都要筑堤刨冰， 费工甚大。开心岭北坡的查曲河及布曲河的许多地段，冬季积冰漫路，常 影响青藏公路的正常运营，造成很大的经济损失。 第一章绪论 1 。4 国内外研究现状 1 4 1 冻土冻胀和融沉的机理模型 冻土的冻胀、融沉作用这一问题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、土水势、压力与变形等外界因素 作用下的相互运动、迁移、扩散与相变。国内外不少学者曾研究过多孔多 相介质的热、液、固耦合问题。为了探讨土体的冻胀、融沉机理，对冻土 的水、热迁移与成冰过程这一多孔多相介质带相变的固、液、气、热耦合 问题进行了实验探索，并在此基础上提出了各种正冻土相变与三场耦合模 型。 归纳起来，可将国内外现有的正冻土三场耦合模型分为：经验模型、 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。经验模型 和半经验模型主要是根据实际的勘查统计资料，结合海拔、纬度、地气温 等自然因素，用些简单的计算公式进行模拟。流体动力模型主要以 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水分迁移理论 分析的基础上提出的正冻土中热质与水分迁移相互作用的耦合模型为代 表；随后不少学者在这种思路下提出了各种类似的模型，但是这些模型的 一大缺点是无法描述冰透镜体产生的离散性；g u y m o n 等人( 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。刚冰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个带，称为冻 结缘( f r o n z e n f r i n g e ) ，“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。热力学模型在1 9 8 9 年由 d u q u e n n o i 首次提出，后来又经过一些科学家的研究和完善，模型在冻土 第一章绪论 微元体中土、冰、水三相等效均匀介质的质量守恒、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，然而该模型仍在发展之中，目前尚无法在工程中应用”3 。 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、外压与变形等外界囡素作用下的相 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，这远不能用以描述冻胀融沉的内在机制。然而这些理论研究都 还属于初级阶段，远没有达到工程应用的地步。 由于冻土融化时在其自生的结构性冰胶结作用变化而发生沉陷现象 和强度的剧烈下降。顾及到定量评价这些过程特别的迫切，自三十年代起 正融土的沉降和强度问题就为许多学者所注意。为了获得计算公式，h a 崔托维奇在1 9 7 3 年建议荷载下正融土的压缩可认为由两部分构成：与外 力无关的融化沉降和与外压力成正比的压缩沉降0 1 。基于这个理论的冻土 地基沉降计算方法，由于其易于理解，操作性强，目前在工程中应用非常 广泛。本文中站场路基沉降的计算正是基于此理论进行的。 1 4 2 活动层动态变化及土冻融过程研究 在多年冻土区的任何一个地方，都有一个相对原始的温度平衡状态存 在于植被、活动层和多年冻土之间。活动层将下卧多年冻土与大气圈隔开。 在活动层中，水分、溶质、气体和热流的传导之间以一种微妙而复杂的方 式相互影响，下卧多年冻土的热状况是气候、地表能量交换、活动层作用 以及地中热流的综合反映。而岩性和植被覆盖是决定活动层和下卧多年冻 土特性的主要因素。尤其是植被对多年冻土上限有着重要影响，植被影响 着大气层与活动层之间的辐射热交换与对流热交换，因此，要全面了解多 年冻土的特性及其变化，对活动层特征及动态的研究就显得十分重要。而 第一章绪论 活动层的冻结和融化过程又伴生一系列的物理力学和化学作用，对多年冻 土上建筑物稳定的影响是巨大的。因此，冻土工作者对活动层特性及其动 态以及活动层土体的冻结和融化过程研究十分重视。近年来的研究重点侧 重在以下两个方面。 1 4 2 1 活动层动态监测预报0 1 为了监测活动层动态，俄罗斯亚马尔( y a m a l ) 半岛冻土站和盖达 ( g y d a n ) 平原冻土站曾对西伯利亚北部的多年冻土活动层的融化深度以 及活动层对现代气候变暖的反响进行多年观测。资料分析表明：多边形泥 炭地和平坦的沼泽地其融化深度变化在0 3 o 7 5 m ；无植被覆盖的孤砂 土沉积，其融化深度变化在1 5 1 8 m ：融化深度与夏季的融化指数有 着密切关系。在这里融化深度对现代气候转暖的反映较差，从过去1 5 2 0 年的资料看，融化深度的增加每年不超过0 5 o 7 c m 。由于全球气候 变暖很大程度上是由于冬季气温上升引起，所以融化深度对全球气候变暖 的反映是不明显的( p a r l o r a v 1 9 9 8 ) 。俄罗斯学者还指出：植被是影响 融化深度变化的主要因素，活动层对气候波动的反应是：植被较岩性更灵 敏。影响融化深度最重要的气候因素是：夏季气温，夏季和冬季的降雨量， 植被的调节作用( l e i b m a n m 0 1 9 9 8 ) 。 美国为了监测极地地区活动层的动态，建立了极地活动层监测网 ( c a l m ) ，对美国阿拉斯加巴罗地区多年冻土活动层的厚度，含水情况进 行了长期监测，资料分析表明：在巴罗地区，活动层厚度的平均值6 0 年 代一般大于9 0 年代。各年之间活动层厚度的变化是由土体含水量，植被 和非传导热输送过程所控制( n e l s o n f e 1 9 9 8 ) 。 加拿大在西北部马更些河谷的不连续和连续多年冻土沿1 2 0 0 k m 长的 横断面上建立了5 8 个观测场，对气候、气候变化、多年冻土和活动层进 行监测。年最大融化渗透深度和地表下沉用固定于多年冻土中的“融化管” 测定。活动层厚度由融化渗透深度和地表下沉值统计确定。加拿大的 9 第一章绪论 c a r e y s ( 1 9 9 8 ) 在考虑活动层融化土体热性质和输入活动层的能量的前 提下，对活动层融化进行模拟和野外研究。 1 4 2 2 已冻土、正冻土和正融土中的水分和盐分迁移 近年来对已冻土、正融土和正冻土中的水分和盐分迁移机理进行了许 多研究，在多年冻土中，水分和盐分可在热力梯度、化学梯度和电力梯度 等的影响下，缓慢地迁移和重分布。在正冻土中和已冻土中水分的迁移通 常同一种有效的能量转换相联系。在含盐土体中，盐分的迁移使水分迁移 变得更为复杂。在人们的一般观念中，已冻土是一个物理化学的宁静区， 其中水分和盐分的分布是相对稳定的。1 9 9 1 年，中科院冻土工程国家重 点实验室与莫斯科大学地质系冻土教研室学者合作进行了已冻结粘土与 低温n a c l 溶液的接触试验，结果发现在已冻土中仍可出现剧烈的水分迁 移和可观的冻胀变形。并且认为，产生这种迁移的机理是由冻土与盐溶液 间的浓度差引起的水势梯度所致。 1 4 3 维持多年冻土上工程建筑物稳定的工程研究 在多年冻土区，许多严重的工程问题都是由多年冻土的退化所引起， 缺少对多年冻土特性的充分了解，将导致极高的施工和养护费用，有时甚 至使建筑彻底破坏而不得不重建或废弃。 存在于气一地界面的辐射、对流和传导热交换的综合影响控制着地表 温度，而地表温度是决定活动层动态和多年冻土温度层的重要因素。 所有寒区土木工程对于热传输的反应都是极敏感的。多年冻土区土木 工程的设计，其核心问题是维持和改善多年冻土的温度层，以确保建筑物 地基的稳定。在很多情况下，通过维持地基的冻结状态和控制地热状态变 化，在个可接受的限度内来解决多年冻土上建筑物的基础问题。维持多 年冻土上建筑物稳定的所有工程措施研究都是围绕这个核心问题进行的。 簿一章结论 多年冻土上地基藏础设幸r 斑遵循以下原则： ) 遥孬猿王秣邀震蘩傅莛好瓣蠛蔽逡抒建裴。懿多球溱圭，雾溶 冻分奄地段髓基岩趣嚣遵数。 2 ) 逛开冻主工程璇攫条份苓建遗辍，黧寓拣，锪泳稻含主泳罄分希 越毂，冰鞋、淋褴、零艨遮下溶等不嶷冻嚣遴避蒺蕊象分搿濑菠。 3 ) 繇须襁不受凉土工程地矮条件穗段进行建筑时，应采觏镩效措施 礁鬃魏戆多年潦懿激攘维蘩雀设诗滋蕊。 维持和改祷媳基多锋冻土濂艘状况常采用的方法肖以下几种： l 天然辩滚装鬟，冬季裂璃鑫爨对淡将蟪鏊孛热爨繁塞，羧子大气 中，从蕊冷却地旗。如单相对滚热桩，瓣相对蒋l 热桩等。 2 热漳，程建筑褥靛逶当帮经莰隰热瑟壤失熬隧，减少热爨传入稳 嫠。热嶷避基孛镶浚嚣潺稽辫。 3 ) 蘩燕漶，程建筑耪速鏊中设置一是厚淡一定含拳麓静稳麟粒狳 袋，冬攀滚绪嚣，在爱攀戆鼗转式琏基警糟爨蝥宝帮潞耧在鞭赣辍垫震淹， 觚褥阻止热量进入地基移年凉。 4 ) 架空邋酞，将建蕊裙黎空使之与蟪表努嚣，建缀姆下酶邋最燮游 可将建筑物传输姓 来的热壤带焱，放回大气中，从而黪止热量进入地基黪 年滚。 5 ) 改善她褒蕊律，烨增热燃淡鲍菠瓣率，设置建粥翻，辨止蠲巍蕊 辫缝表，鼹檀被瀵盖延装簿疆躐枣太粥蕊淀箍瓣瓣蔽狡，簌蠢降低表瑟潺 凝，弑小传入蟋器靛熬熬。 毒+ 毒多皋凉穗上王糕建篡物长鬻稳霆燃黢涎鞭掇麓辩瓷 多颦漆送越筑魏麴设诗、獠工帮遗营，不设甏要7 解豫按律，褥 曩遥要塞l 遵建筑物奁建筑遥程萃籍添营过稷中冻土絷释静囊纯。从雨对建筑 - l 帮一章绪论 物的长嬲稳定性做出难确评价。 引起漆主冬l 牛变化懿原困缀多。雷毙是麓王稠逡营孛对多冬壤区繇 缓嚣破舔，壤多年冻产囊衰速，扶露弓l 起骧蘩彳譬熬变魏；箕次霆建黎 物在遴髂过程中，备芹哮 葡载长辫作用于冻土地麓上，使冻土嫩基的结构和 梅造发嫩变化所弓l 越缒漆条传戆交豫。 多年漆主主建筑灏麴长麓稳定淫取决子琢土条搏熬交德。毽致，多年 冻土上建筑物长期稳超豫预报就魑冻土条件变化的预报。多年来必于冻土 预报磺究较雾的方蕊楚：髂遗嶷状凝变纯颞缀；士髂季节冻缨鞠攀节融 稼深度嶷诧颡掇；多每藏主瑟褥糕变纯籁摄；冻土融纯越热融流羚强豢； 冷生过糨及现象形成与靛展预报：多年冻土冷擞构造形成与变化预报等。 邋冬袋，数字模羧广泛应震予冻预摄。数学横整已成必凝秘模羧鞠 了簿各璐蟪簸、经济缝理、气羲惑得、多年猿熬憋瞧交纯瓣王爨。考感 多年冻土热物理性缓和低温地层学特性的温度数字模拟可以用来提高分 辑能力郛遘褥多年冻土袈终变德鹣颈袋( h a d y - n a b i a 。k 。t 9 9 8 ) 。在妻霾拿 大，荣耀变数字模掇熟憋热分辑已耀予预报多年冻嚣秘季节冻主逸各秘 工程对冻土的影响( n i x o n ，j f 1 9 9 8 ) 。在美国曾用艇于传择热输通理论 的数字模数辫阿拉聚鸯嚣邑爹缝送疑零孛承分囊上逶移彝程蟪袋蒸发对 涟凄屠熬冷裁终热送行了译羚。谈羧效募表麓：篪攀隶分淘上迁移葶羹在遗 表附避蒸发可使活韵屡漩度下降几戚，可使年平均地湓下降0 4 ( q u t c a l t ，s 。i ，1 9 9 8 ) “”。镳罗焱学豢v l a l o v 。s 。s ( 1 9 9 8 ) 瓣t 遵纪孛 蟹气瀵上舞2 0 c 襄辩，娥罗瓶多零漆熬状态蠢工羧矮静变强遴 行计算帆横拟。计算缡暴表明，气候交忧对多年冻土的影响最巨大的。多 年冻土懿囊邋秘融能爨萼l 越冻土工程蟪震润纛姆严爨影确凉王疆熬稳 定鞠。 近年来，我国冻土工作者对垒球气候变暖对多馨冻土的黪响十分关 心，作了诲多调查磷究秘搂羧诗冀，戳麓鬟垂表寒a 攀凌多冬冻主黪交恁 ，1 2 第一章绪论 作出预报。周幼吾( 1 9 9 6 ) 等对东北大小兴安岭多年冻土调查研究后得出 如下结论：近4 0 年来，在气候变暖的大背景下，季节冻结和融化层的年 平均温度大多在上升，且以大小兴安岭北部最显著。王绍令( 1 9 9 6 ) 在“冻 土退化与青藏高原冻土环境问题探讨”一文中指出：近数十年来，青藏高 原气候转暖及人类经济活动的急剧增加，造成高原多年冻土多呈区域退化 状态。岛状冻土区呈区域性退化趋势，大片连续多年冻土区内表现为地温 升高、季节融化层厚度加大，随之引起冻土区域环境发生变化。与7 0 年 代相比，高原上的年平均气温普遍升高0 2 。c o 4 。c ，多年冻土总面积 减少约1 0 。李新( 1 9 9 8 ) 利用地理信息系统( g i s ) 辅助模型对青藏高 原多年冻土在全球气候变暖条件下的变化进行模拟研究得出：如果气温平 均增加2 9 1 时，青藏高原多年冻土的变化将是明显的，其面积将减少 3 1 ，但在青藏高原西北部，喜马拉雅山，风火山的多年冻土将不会出现 这种情况。全球气候变暖还将引起多年冻土工程性质的变化。李东庆 ( 1 9 9 8 ) 在“青海西藏东部华西克雅山谷由于气候变暖所引起的多年冻土 衰退的模拟和预报”一文中指出：如果气候变暖速率为0 0 4 。c 年，则 1 0 0 年以后，华西克雅山谷的多年冻土下限将上提1 9 5 m ，多年冻土减薄 的速率最大为0 5 6 m a 。 人类经济活动对多年冻土环境的破坏同样将引起多年冻土的衰退和 融化。1 9 7 2 年交通部开始对青藏公路进行改建，将原有的砂砾石路面改 成黑色路面，并对公路纵横断面按高等级公路进行改造。在改建过程中， 由于采用大规模机械化旌工，就地取土，使得公路两侧大面积的植被被铲 除，导致多年冻土上限大量下降。加上黑色路面的强吸热作用。使多年冻 土出现严重衰退甚至部分消失。刘永智( 1 9 9 5 ) 在“青藏公路冻土工程地 质勘察与黑色路面下冻土变化研究简介”一文中对青藏公路沿线多年冻土 的变化作了简要介绍：由于气候变暖及人类工程活动的影响，青藏公路沿 线路基底部多年冻土的南北界发生了较大变化。 1 3 第一章绪论 在冻土环境变化预测预报的基础上，即可评价工程建筑物的长期稳定 性，从而及时采取有效的工程措施，确保冻土工程的长期稳定。 1 5 本文的研究背景及意义 青藏铁路建设中面临的两大难题是“高原”和“冻土”问题。“高原” 问题主要涉及缺氧、低温、强紫外线及气候剧变等，“冻土”问题所涉及 的内容则更为复杂，是影响工程措施、设计最为显著的问题。经过科研人 员4 0 年来的艰苦努力，在高原多年冻土区铁路建设技术上取得了很大的 进展，为青藏铁路建设打下了良好的基础。但是由于青藏铁路技术复杂， 缺乏铁路工程实践，还有不少具体技术问题尚未很好解决。 我国青藏铁路的修建，使得多年冻土区的路基工程的研究变得非常的 迫切。在多年冻土地区修建铁路的一个关键问题就是，由于铁路路基的修 筑，冻土地基表面的热状况会发生变化，使得整个地温场、冻土的上限、 活动层的厚度都发生变化，从而路基各部分将产生不均匀的沉降变形。从 国内外研究现状来看，冻土冻胀和融沉机理模型、土冻融过程中的水份、 盐份迁移、冻结缘特性等依然处于理论研究阶段，难以应用于实际的路基 工程当中。目前国内外很多学者都致力于工程冻土学方面的研究。国内外 很多科研人员研究了全球气温升高对多年冻土环境的影响，大多没有将多 年冻土区的路基工程考虑在内。多年冻土区建筑物长期稳定性预报的研究 包含很多方面，其中的土体温度状况变化预报；土体季节冻结和季节融化 深度变化预报；多年冻土层特征变化预报等等都是基于数值模拟开展的， 但是很少针对多年冻土区路基工程进行模拟预报。我们国家在多年冻土地 段建立了试验路基进行长期的观测，在路基修筑后的温度场的变化特征及 演化规律方面取得了很大的进展，并且已经总结出了很多为维持多年冻土 的温度状况常采用的方法。但是上述研究大多限于在多年冻土区修建的普 第一章绪论 通宽度的路堤，而对于多年冻土区宽度约为普通路基宽度两倍的站场路基 的研究，国内外是少之又少，究竟宽路堤对多年冻土的影响是怎样的，是 利于多年冻土的稳定还是会进一步恶化冻土的生存环境，在全球气候变暖 的背景之下，对站场路基下的多年冻土会发生什么样的影响，站场路基的 稳定性又如何，这些问题的研究对于青藏铁路的修建是非常重要的。因此 多年冻土区站场路基试验研究是一个新颖丽又非常有意义的课题。一方面 站场路基的宽度约为普通路基宽度的两倍，因此站场路基的温度场与普通 路基温度场相比会有很大的不同，从而路基的沉降变形特点也会有其自身 的特点；另一方面就是研究在全球气候变暖的前提下站场路基温度场的响 应特征以及变形特征。 青藏铁路建设是国内外都未曾实践过的探索性工程，其特殊性在世界 上没有先例。针对青藏铁路当前的进展和存在的问题，为尽快完善高原多 年冻土区铁路工程设计理论，积累高原冻土铁路工程施工经验，通过在多 年冻土区典型冻土地段进行先行试验段建设，根据不同地质条件设计相应 的工程措施，进行针对性的试验研究，检验其设计理论和采取的防护措旌 的适应性和可靠性，其成果将指导和完善后续工程的设计和旌工，避免由 于认识上的偏差而导致工程的重大失误，具有重要的意义。 在青藏铁路设立了大量的专题科研项目，在“高温冻土细粒土段路桥 涵关键技术的研究( 清水河) ”的项目中设立了“站场路基试验研究”子 课题，项目的主持人为魏庆朝教授，合同编号为2 0 0 1 q z - 2 6 。本文正是在 该子课题的现场试验的基础上，对多年冻土区站场路基修筑后的温度场的 特征以及沉降变形特征进行了分析。同时对站场路基的温度场进行了模 拟，模拟了未来5 0 年，在全球气温升高的情况下，站场路基温度场的响 应特征，并对路基的沉降变形进行了计算预测。 第一章绪论 1 6 本文研究内容和研究方法 1 6 1 主要研究的内容 ( 1 ) 通过对站场路基、地基温度的测试，研究站场路基下多年冻土 地温及冻土上限随季节时间的变化规律； ( 2 ) 通过对站场路基、地基沉降变形测试，分析变形的发展规律： ( 3 ) 通过水平测斜，分析路基在同一水平上的差异沉降的规律； ( 4 ) 建立数值模型对路基的温度场进行模拟； ( 5 ) 建立计算模型和预测路基工后沉降量。 1 ，6 2 主要研究方法 ( 1 ) 通过在试验段的现场测试获取测温变形原始数据，并对实验数 据进行处理； ( 2 ) 基于试验数据，分析冻土地温的变化规律以及路基下多年冻土 上限的变化规律； ( 3 ) 用有限元的方法对站场路基的温度场进行模拟，模拟和预测站 场路基内温度随时间的分布状况，得到上限的变化特征，将其与路基的沉 降变形进行联合分析和计算预测； ( 4 ) 在温度场模拟计算的基础上，预测路基的工后沉降量及发展规 律。 1 6 3 论文章节结构及各章之间的关系 本论文章节结构如下： 第一章：绪论 1 6 第一章绪论 第二章：青藏铁路清水河试验段站场路基现场试验 第三章：多年冻土区站场路基温度场的数值模拟 第四章：站场路基的变形计算及预测 第五章：结论与展望 第一章主要对论文的国内外研究现状、选题背景及意义、论文的主要 研究内容和研究方法进行了简单的介绍。 第二章首先介绍了试验段的概况，然后对试验段的测温以及变形数据 进行了多角度地分析，形成了一系列阶段性的结论。 第三章是对站场路基的温度场进行了数值模拟。首先基于第二章中介 绍的站场路基试验段的具体地质情况以及路基断面形式及尺寸，建立了有 限元计算模型，然后依据试验段的气候条件以及地温观测结果确定了计算 的初始条件和边界条件，最后对未来5 0 年站场路基的温度场进行了模拟 计算。 第四章首先阐述了路基沉降变形的特征组成以及影响变形的因素，介 绍了多年冻土区地基融化压缩沉降的计算方法，并且应用这种方法，以第 三章站场路基数值模拟的成果为基础，对站场路基的沉降