（岩土工程专业论文）青藏铁路粒径改良路基试验及温控机理研究.pdf

摘要 摘要 以中国科学院重大知识创新工程青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应 为依托，在总结了前人沿用的各类保护冻土措施的基础上，分析并研究了一种应对全球气 候变暖的积极主动保护冻土的新型的路基结构形式粒径改良路基。它主要是通过路基 填土颗粒的筛分、颗粒重组，从而改变路基填土的结构来改变路基与大气之间的热交换关 系，最终达到保护冻土的目的。首先通过现场试验，从温控效果及变形两方面，对粒径改 良路基温控机理进行了研究分析；其次以多孔介质为媒介，分析探索了粒径改良路基的热 物理参数，从而分析其在多年冻土区的温控机理。主要结论包括以下几个方面： 1 、总结分析了前人沿用的各类保护冻土的措施，指出其适用范围及不足，针对目前 全球气候的变暖以及多年冻土逐渐退化的现状，认为充分利用青藏高原本身的自然气候条 件，研究开发新的温控措施，是多年冻土区工程冻土保护研究发展的一个重要方向。 2 、详细分析了粒径改良路基在冻融循环过程中地温变化规律及热状态变化规律，并 同其他处理措施及天然场地进行了对比分析，认为：粒径改良路基具有冷量交换和热量屏 蔽的热二极管效应，是一种有效的保护冻土的措施。 3 、对新研制开发的变形监测系统光纤多点应变仪进行了可靠性验证，表明：该 系统在冻土区变形测量中具有较好的可靠性，测试精度满足科研、工程实际要求。 4 、对粒径改良路基进行了变形性能研究。结果表明：粒径改良路基在一定程度上缩 短了路基冻结时间，减缓了冻胀变形。在稳定性方面，无论从冻土上限还是单向变形考虑， 粒径改良路基均为一种稳定的路基结构形式。 5 、从粒径改良路基设计参数出发，详细分析了粒径改良路基所应满足的厚度，并提 出：在一般粗颗粒填料活动层范围内，可以不考虑未冻水对热对流所产生的影响。 6 、根据流体在多孔介质中流动的毛细模型，对粒径改良路基热参数进行了探索与分 析。认为：在多年冻土区，应综合考虑当地自身的气候条件，以保护冻土为目的，合理选 择粒径改良土的颗粒直径、厚度及孔隙度。 7 、详细分析了粒径改良路基冻结、融化深度计算方法，根据传热学多层物质热阻的 串连原理，通过导热等效的原则，对多层粒径改良路基计算原理进行了简要分析。 关键词：青藏铁路粒径改良路基变形温控机理冻结深度融化深度 塑! 坠竖 s t u d yo n t h e t e m p e r a t u r e c o n t r o lm e c h a n i s ma n dt h et e s to ft h ep a r t i c l e i m p r o v e dr o a d b e d i nq i n g h a i - t i b e t r a i l w a y m i n g - k u ih u a n g ( g e o t e c h n i q u ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f r e nw a n g w i t ht h es i g n i f i c a n ti n i t i a t i v ep r o j e c to fq i n 曲a i 一砸b e tr a i l w a yp r o j e c ta n di n t e r a c t i o n s u r r o u n d i n g si n f l u e n c e sb yp e r m a f r o s tb yc h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n e ea sb a c k g r o u n d ，i nt h i s d i s s e r t a t i o nag e n e r a ls u m m a r yo ft h ev a r i o u sm e a s u r e sf o rf r o z e ns o i lp r o t e c t i o nb yt h ep r e v i o u s r e s e a r c h e r sh a sb e e nm a d e ，w i t ht h ep r e s e n t a t i o no ft h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so ft h en e w - t y p e d r o a d b e ds t r u c t u r e s t h ep a r t i c l ei m p r o v e dr o a d b e d a i m i n gt op r o t e c tt h ef r o z e ns o i la g a i n s tt h e g l o b e w a r m i n gi n f l u e n c e si na na c t i v ew a y i ti sm a i n l yt h r o u g ht h ef i l t e r i n ga n dr e s t r u c t u r i n go f t h eb e d r o a d - f i l l i n gg r a n u l e st oc h a n g et h eo r i g i n a ls t r u c t u r eo ft h er o a d b e d ，t h u s 幻c h a u g et h e h e a t e x c h a n g er e l a t i o n s h i po ft h er o a d b e da n dt h ea t m o s p h e r ew i t ht h ep r o t e c i o no ft h ef r o z e n s o l la st h ee v e n t u a lp u r p o s e f i r s t l yi ti st h r o u 曲t h es p o te x p e r i m e n tt oc o n d u c tr e s e a r c hi n t 0t h e p a r t i c l ei m p r o v e dr o a d b e dt e m p e r a t u r ec o n t r o lm e c h a n i s mw i t ho b s e r v a t i o no nb o t ht e m p e r a t u r e c o n t r o le f f e c ta n dd e f o r m a t i o n s e e o n d l y ，i no r d e rt oa n a l y s et h et e m p e r a t u r ec o n t r o lm e c h a n i s m o ft h ep a r t i c l ei m p r o v e dr o a d b e di np e r m a f r o s tr e g i o n ，t h et h e r m a lp a r a m e t e r sa r es e a r c h e di nt h e p r e s e n c eo ft h ep o i o n sm e d i u m t h em a i na c h i e v e m e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n gp a n s ： 1 、t h ev a r i o u sm e a s u r e st op r o t e c tf r o z e ns o i lb yt h ep r e v i o u sr e s e a r c h e r sa l es u m m a r i z e d a n dt h ea p p l i c a b l er a n g ea n dt h ed e f i c i e n c yo ft h o s ea r ee x p o u o n d e d b a s e do nt h ep r e s e n t s i t u a t i o no fg l o b e - w a r m i n ga n dt h es t a t u sq u oo ft h eg r a d u a ld e g e n e r a t i o no ft h ef r o z e ns o i l ，t h e n e w - t y p e dt e m p e r a t u r ec o n t r o lm e a s u r et op r o t e c tf r o z e ns o l l i np e r m a f r o s th a sb e e nd e v e l p e d m a k i n ga d v a n t a g eo ft h en a t u r a lc l i m a t ec o n d i t i o n so ft h eq i n g h a i - t i b e tp l a t e a u , w h i c hi sa n e s s e n t i a id i r e c t i o no ft h er e s e a r c hi np e r m a f r o s tr e g i o n s 2 、n er u l e so fp a r t i c l ei m p r o v e dr o a d b e d st h e r m a ls t a t ec h a n g ea n dt h eg r o u n d t e m p e r a t u r ec h a n g ei nt h ec y c l ep r o c e s so ff r e e z i n ga n dt h a w i n ga r ea n a l y s e di nd e t a i l ，a n d c o m p a r a t i o nw i t h n a t u r a l s p o t sa s w e l la so t h e rp r o c e s s i n gm e a s u r e si sm a d ei nt h e m e a n t i m e ，d r a w i n gt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ep a r t i c l ei m p r o v e dr o a d b e d ，a b l et of u n c t i o na sad i o d e t om a k eac h a n g eo ft h ec o l d n e s sa n dr e s i s tt h eh e a t ，i sa ne f f e c t i v em e a s u r et op r o t e c tf r o z e n s o i l 3 、i ta l s oc o n d u c t e dav a l i d a t i o ni ot h el e l i a b i l i t yo ft h en e w l yd e v e l o p e dd e f o r r n a t i o n m o n i t o r i n gs y s t e i i 卜- p h o t i ef i b e rm u l t i l 0 i o i n tm o m i t o r t h er e s u l ts h o w st h a tt h i ss y s t e mh a sah i 曲 r e l i a b i l i t yi nt h em e a s u r i n go ft h ed e f o r m a t i o n i np e r m a f r o s t ，a n dt h et e s t i n ga c c u r a c yc a l lm e e t t h ed e m a n d so fs c i e n t i f i cr e s e a r c ha n ds p e c i f i cp r o j e c t a b s n n c t 4 、i tc o n d u c t e dar e s e a r c hi n t ot h ed e f o r m a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ep a r t i c l ei m p r o v e d r o a d b e d ，w i t ht h er e s u l tt h a tt h ep a r t i c l ei m p r o v e dr o a d b e dc a n ，t os o m ee x t e n t ，s h o r t e nt h e f r e e z i n gp e r i o da n de a s et h ef r o s t h e a v ed e f o r m a t i o no f t h ee m b a n k m e n t a sf o rt h es t a b i l i t y , t h i s e m b a n k m e n tc a nb eas t a b l er o a d b e ds t r u c t u r ef o re i t h e rf r o z e nu p p e rl i m i to rt h es i n g l ew a y d e f o r m a t i o n 5 、t h ed e p t ho ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ep a r t i c l ei m p r o v e dr o a d b e di sa n a l y s e di nd e t a i lo n t h eb a s i so ft h ed e s i g np a r a m e t e r s ，a n dc o n c l u d e dt h a t i nt h er a n g eo fa c t i v el a y e ro fc o a r s e g r a n u l e st h ei n f l u e n c eo ft h eu n f r o z e n w a t e ro nt h et h e r m a lc o n v e c t i o nc a nb ei g n o r e d 6 、a c c o r d i n gt ot h ec a p i l l a r ym o d e lo ft h ef l u i di np o r o u sm e d i u m ，i tc o n d u c t e dr e s e a c h i n t ot h et h e r m a lp a r a m e t e r so ft h ep a r t i c l ei m p r o v e dr o a d b e d ，t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h eg r a n u l e d i a m e t e r , d e p t ha n dp o r o s i t ym a yb er a t i o n a l l y c h o s e ni no r d e rt o p r o t e c t f r o z e ns o i li n p e r m a f r o s t ，a n dt h el o c a ln a t u r a lc l i m a t ec o n d i t o n sc a nb ea n o t h e rc l e m e n tf o rac o m p r e h e n s i v e c o n s i d e r a t i o n 7 、t h ec a l c u l a t e dm e t h o d st of r o z e nd e p t ha n dt h a wd e p t ho ft h ep a r t i c l ei m p r o v e dr o a d b e d a r ea n a l y s e di nd e t a i l a e c o r d i n gt ot h es e r i a lp r i n c i p l eo fm u i t i l a y e rd i e l e c t r i ct a n d e mo ft h eh e a t c o n d u t i o ns t u d ya n dt h eh e a tc o n d u t o re q u a lf u n c t i o n ，i tc o n d u c t e dab r i e fa n a l y s i so ft h e c o m p u t a t i o np r i n c p l e sf o rm u l t i l a y e rp a r t i c l ei m p r o v e dr o a d b e d k e yw o r d s ：q i n g h a i t i b e tr m l w a y ，t h ep a r t i c l ei m p r o v e dr o a d b e d ，d e f o r m a t i o n ， t e m p e r a t u r e - c o n t r o lm e c h a n i s m ，f r o z e nd e p t h ，t h a wd e p t h 独创性声明 本人声明，呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国科学院武汉岩土力学研究所或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一起工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：羞碉奎 日期：2 0 0 5 主1 z6 月1 3 日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解武汉岩土力学研究所关于保留、使用学位论文的规 定，即该所有权保留、送交论文的复印件、允许论文被查阅和借阅； 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 作者签名：量碉奎 日期：2 0 0 5 年6 月1 3 日 剔磁轹r 讹 日期：2 0 0 5 年6 月1 3 目 第一章绪论 第一章绪论 第一节前言 冻土，顾名思义，是指具有负温和含冰的土体和岩石，它一般由土矿物颗粒、 水、冰和气四相组成，广义上分为多年冻土和永久冻土【l l o 地球上多年冻土、季 节冻土和瞬时冻土区面积约占陆地总面积的5 0 。其中多年冻土面积占陆地面积 的2 5 。主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地。我国多年 冻土区的分布面积为2 0 6 8 1 0 6 k m 2 ，约占国土面积的2 1 5 1 z ! ，季节冻土区的分 布面积为5 1 3 7 x 1 0 6 k m 2 ，约占国土面积的5 3 5 ，因此两者合计约占全国总面积 的7 5 。仅次于俄罗斯和加拿大，是世界第三冻土大国，主要分布在东北大小 兴安岭、西部高山以及中、低纬度的号称世界第三级的青藏高原上【3 】( 如图1 1 ) 。 随着科学的进步，冻土区资源的开发，多年冻土区必然成为人类生产和生 图1 1 ：中国多年冻土分布略图 f i g 1 d i | t f i t m t l o no fp c r m l f r o ti nc b i o 鼻一直葺t ，牟蒜土b 桩t 区不连娃# 年辛和壮，年本土c 膏蜂崖冻土区d - 膏山# 年壤土b 蓬鬟 事年冻土l 机，年砖土节蒜土eh 叶季节蒜ki j e 碡蛄柞甩基 m5 m 季节蒜培撑度葺越蛙 1 阿拳毒山2 天山乳靠毫山置仑山5 古拉山s 马拉蕞山7 耳膏山 s 土白山 五古山1 0 膏斯曩1 1 长自山1 2 , 、小兴安蜂 青藏铁路粒径改良路基试验及温控帆理研究 活的场所，寒区工程，如房屋建筑工程、管渠道工程、道路工程、矿山工程、能 源工程、桥、涵、闸等随之产生。由此产生了在冻土区工程建设的独特的特点， 如不采取与一般条件不同的特殊措施和方法，则既可能引起冻土区建筑物运行遭 受冻害威胁，也可能造成严重的经济浪费。 随着国民经济的建设、旅游业和国防建设的需要，以及我国西部大开发战略 的全面实藏，正在建设中的青藏铁路正是适应国家对西部大开发的要求应运而 生，然而青藏高原特殊的自然环境和复杂的冻土地质条件给青藏铁路的设计、施 工带来了巨大的困难。由于冻土是一种对温度极为敏感的土体材料，全球气候的 变暖，使得青藏铁路的建设面临着严峻的考验。对于寒区工程，由于冻土而造成 的工程灾害主要是冻胀、融沉以及不良的冻土地质现象，因此，可以说：青藏铁 路成败的关键在路基，路基成败的关键在冻土，而冻土的关键问题在融沉【4 l 口鉴 于此，广大的冻土工作者根据冻土区特有的情况，分别采用了不同的保护冻土的 措施，以期使冻土区工程的运营稳定，尽可能的减少冻害的发生。因此，冻土区 保护冻土措施的研究己成为冻土区工程建设及安全运营的重要任务之一。 第二节研究意义 由于铁路路基的修建，原有的地气热交换条件发生了变化，使得多年冻土地 温重新进行热平衡调整，结果通常是路基内吸热量增加，路基内逐年的热积累使 下伏土体温度升高，多年冻土融化，从而引起道路的融化下沉i 卜7 1 。大量的工程 实践表明，冻土区筑路遇到的主要闯题是冻胀和融沉( 在季节冻土区主要是冻胀， 在多年冻土区主要问题是融沉) 。由此可见，在冻土区筑路有其特殊的道路病害， 诸如路基热融下沉、边坡热融滑塌、融化区路面翻浆、冒泥等现象。小兴安岭地 区牙林铁路潮乌段，1 9 6 2 年路基由于熟融，在5 小时内下沉1 4 m ，导致机车脱 轨事故，1 9 6 3 年下沉o 8 m ，原有路堤填土全部沉没地下【8 】；青藏公路1 9 7 3 年铺 筑的沥青路面以来，由于黑色路面的吸热加剧了地下冻土的融化，十几年内路基 热融下沉达5 0 锄以上1 9 】；青康公路1 9 8 7 1 9 9 2 年也因黑色路面吸热，路基热融 达2 0 4 0 伽。多年冻土地区路基冻害也非常严重，其规模、程度远超过季节冻 土区，小兴安岭牙林线k 9 1 处，1 9 6 5 年突然冻胀1 3 m ，造成行车事故【8 1 ；桃而 九北坡公路里程k 3 3 9 5 处，1 9 9 0 年6 月7 日路面突然隆起发生爆炸，形成直径 2 第一章绪论 6 m 、深3 m 的水坑，严重威胁行车安全【删。所有这些病害，已为冻土区道路的 运营造成了极大的困难。 为了防止路基的冻害或把因修筑路基造成的热平衡失调而产生的病害控制 在工程运营允许的范围之内，目前国内外对多年冻土地区路基工程基本采用“保 持冻结”和“允许融化”的原则进行设计的。“保持冻结”原则方法适用于含冰 量较大的多年冻土稳定地带；“允许融化”一般适用于含冰量较小或局部含冰量 较大的不稳定地带【1 1 】。基于以上原则，铁路建设中设计和科研人员提出并采用了 抛片石( 碎石) 护坡、通风路基等主动保护冻土的措施以及埋设保温材料、加宽、 加高路堤等被动保护冻土的措施。采用主动方法的出发点是考虑工程完工后的维 护阶段，可有效地降低维护费用，从而提高铁路的运营效果；被动方法的出发点 在于克服或延缓由于冻土退化造成的路基破坏，但是在长期的冻土退化背景下， 路基仍然可能出现一系列的问题，并需要不断地投入维护费用【1 2 】。目前，在工程 中采用保护冻土的最常用的方法是单纯的抬高路堤高度或在路基中埋设保温材 料等。但是长期的工程实践表明，抬高路基高度或铺设保温材料等虽在一定程度 上有利于保护冻土，使冻土上限上升，但是在全球环境逐渐变暖的今天，这些措 施又将面临着很大的挑战。这是因为抬高路堤高度，在高温多年冻土区不但不能 使冻土上限上升，反而将在路基形成融化盘，再加上坡面吸热面的增大而增加了 阴阳坡的作用，这又会造成融化盘的不对称，进而导致路基的不均匀沉降；近年 来，许多冻土工作者基于多年的观测资料和沥青路面公路大量破坏的事实，对长 期沿用的路堤临界高度的概念提出了质疑，认为对于一定表面的路堤，只有年平 均气温低于某一特定值时，路堤临界高度才存在，否则不存在路堤临界高度，并 由此提出了“年平均气温临界值的概念及其计算方法 1 3 1 ；铺设保温材料。虽在 夏季能阻挡上部热量的传入，但在冬季又可阻挡上部冷量的传入和下部热量的传 出，长时间的运行将在路基中形成热量累积，导致多年冻土上限的下斛1 4 1 。 青藏铁路二期工程全长1 1 1 8 公里，途经多年冻土长度为6 3 2 公里( 大片连 续多年冻土5 5 0 公里，岛状不连续多年冻土8 2 公里) 1 2 1 。如何保证青藏铁路路 基在多年冻土区的稳定将是广大冻土工作者要致力解决的关键问题，这其中冻土 是一个关键。为了应对高温冻土和全球变暖的严峻挑战，研究开发新的地温调控 原理与技术，提出能主动冷却地基的新的路基结构形式和设计参数已成为广大冻 3 青藏铁路粒径改照路基试验及温控机理研，亢 土设计、科研科技工作者的重要任务。针对此我们提出了一种新型的路基结构形 式，即粒径改良路基，它是通过改变路基填土的组成来改变路基填土的结构，从 而改变路基与外界的热交换关系，导致改良土热物理性质参数在冻结、融化不同 状态下性能的差异，最终达到保护冻土的目的。因此，全面认识和研究改良土与 外界环境在不同的季节( 暖季和冷季) 的热交换机理，充分分析改良土的降温机 制对冻土的保护是十分有意义的，这在一定程度上为我国多年冻土地区的道路病 害分析提供科学依据，为我国冻土研究领域增添新的成果。因而，粒径改良土的 温控机理研究对于冻土保护措施的发展以及青藏铁路的建设将有着十分重要的 意义。 第三节国内外研究现状 1 3 1 冻土力学的国内外研究现状 前苏联学者把冻土学定义为：冻土学是研究冻土的成因、成分、性质、组构、 分布以及它们与发生在冻土中的地质作用、地球化学作用和生物作用关系的- - f 7 学科1 1 5 1 。冻土学最初的研究，首先是由于在冻土区开展了工程建设引发的工程问 题开始的，逐渐开展了冻土在自然条件下形成过程、演变规律影响因素等基础性 研究，随着寒区经济建设和区域开发的深入，开始研究以工程结构物为主体，以 冻土环境为影响因子，工程与冻土环境间相互作用关系，并确保工程建筑物的稳 定性。随着气候变化，冻土研究以活动层变化监测和冻土监测为主，进而出现了 许多预报冻土变化的模型，包括区域变化模型t 6 1 。冻土力学是冻土学的一个分支， 国外冻土力学特性的研究始于3 d 年代的前苏联，以v y a l o v 和t s y t o v i c h 为代表 的冻土力学专家，在6 0 年代和7 0 年代取得了大量的成果【1 7 1 。 受寒区工程建设的迫切需要，冻土力学的研究近年来发展迅速。在实验方面， 陆续系统地对冻土在不同负温、不同土性、不同含水量和荷载下的强度与变形性 质的研究，揭示了冻土的单轴强度、瞬时三轴强度、尤其是冻土的流变特性及最 基本的本构关系，并提出了相应的试验拟合模型，同时，在工程应用方面，以冻 胀、融沉性质为核心的研究课题也纷纷开展，促进了冻土力学的发展【1 8 】。 e h s a y l e s 博士对渥太华冻砂的蠕变特性作了极详细的研究，得出了冻砂蠕 4 第一章绪论 变曲线的三个阶段：减速蠕变阶段，恒速蠕变阶段和加速蠕变阶段；加拿大e e o l e 工业大学b l a d a n y i 教授( 1 9 7 2 ) 通过对冻土蠕变特性仔细研究，提出了一种冻 土蠕变的工程理论模型”1 ；在德国，在波鸿鲁尔大学h l j e s s b e r g e r 教授的倡导 下，于1 9 8 7 年起草了“入工冻结地层分类与试验室试验”大纲，首次在国际上 初步规范了冻土试验方法i 捌。我国冻土力学性能试验始于7 0 年代中期的青藏公 路建设项目，虽然起步晚，但由于与国际接轨早，发展极迅速。吴紫汪、马巍对 不同围压下冻土的三轴抗剪强度特性作了系统的实验研究，指出冻土的抗剪强度 随围压的增大而增大，但围压大于一定值后，围压的增大则加速了孔隙冰的压融， 降低了冻土的粒问连接强度，导致冻土的弱化1 2 1 2 - 2 1 ：盛煜等进行了冻土在变载和 变温条件下的蠕变试验后指出：冻土在变应力过程中的蠕变破坏时间基本符合破 损度线性累加原理，并根据长期强度曲线可得到冻土在变应力过程中的长期破坏 时间准则【冽；朱元林、何平、张家懿等对冻结粉土在往返荷载作用下的变形特性 及不同动载频率下冻土的强度特性进行了试验研究，发现冻结粉土在动荷载作用 下基本与围压无关，并得出了冻土蠕交强度和破坏应变减小的主要原因是冻土在 动荷载作用下的颗粒的定向排列m 2 6 1 ；在工程性质方面，朱林楠等对冻土退化 环境下的道路工程的设计原则与设计方法，提出了严格保护、部分保护和不保护 等设计原则和方法【明；吴青柏等从评价冻土环境变化的要素( 气候因素、地表条 件、土壤性质、地形地貌以及工程技术因素等) 入手，提出了3 个冻土环境变化 评价指标冻土热融敏感性、冻土热稳定性和地表景观稳定性，建立了冻土环 境变化的综合定量评价模型【矧；王铁行等通过综合考虑路基走向、风速、辐射、 蒸发等多种因素，提出了在一、二、三类边界条件下考虑诸多因素的有限元计算 方法，并给出了相应的计算公式，从而弥补了现有方法的不足，这将有助于计算 得到符合实际冻土路基的温度场【2 9 1 ；李国安对渠道等线性建筑物的设计冻结深度 进行了研究，提出了确定设计冻深的方法【删；李东庆用动态模拟计算分析方法， 研究了在气候变暖和人为因素共同作用下多年冻土的退化情况，把道路运营时间 引入多年冻土地区路基的临界高度的确定中，为多年冻土地区各类型路段修筑路 堤临界高度的确定提供了一条新途径【3 l l ；李述训等通过对温度波在地层内传播过 程的分析研究以及求解古典n e u m a n n 问题，研究了土壤在冻结和融化过程的热 交换特征及其对地气系统能量交换的影响，结果表明：冻融作用使相应过程表层 青藏铁路粒径改良路基试验及温控帆理研究 温度加大，地气系统热交换加强，同时吸热和放热的过程也发生变化1 3 2 ，3 习；丁竣 康对冻土区挡土建筑物的设计和冻胀力计算进行了分析研究【州：赖远明等根据传 热学与渗流理论导出了带相变的温度场、渗流场耦合问题的控制微分方程，并求 解了一寒区隧道渗流时的温度场闯题【3 5 】；令锋、吴紫汪等运用传热学和渗流理论 研究了渗流对多年冻土区路基温度场的影响，得出了路堤侧向积水的渗流作用加 深了路基路堤的季节融化深度，消弱了路堤、路基的稳定性，并提出为确保多年 冻土区道路工程的稳定性和耐久性，在施工和养护过程中必须完善排水设施【3 6 】。 从以上可以看出，冻土力学性质与工程性质主要受温度、含水量、冰包裹体 的组构、粒度及其相对作用力的方向、土中未冻水含量、孔隙与饱和度等因素的 影响，因此，土体冻结过程中的水、热迁移及相变特性研究受到了广大冻土工作 者的关注，也是冻土力学研究的热点课题之一。如1 9 9 8 年在加拿大召开的第七 届国际多年冻土大会以及2 0 0 0 年在比利时召开的国际土层冻结和冻胀联合会议 ，足见永热迁移的研究在冻土力学研究中的重要性。 早在1 9 世纪后期，人们就已经注意到了冻胀现象，但直到2 0 世纪，人们才 逐渐认识到水分迁移作用是导致土体冻胀的主要根源p 8 。因此，各国学者先后开 展了冻胀机理以及相伴随的水热迁移的机理的研究。e v e r e r 3 9 l 首先根据毛细理论 ( c 8 p i l l a r yt h c o r y ) 分别对冻胀和冻胀力进行定量解释和估计，这就是第一冻胀 理论，曾广为接受并很快发展【柏叫2 】。毛细理论从某种意义上解释了水分迁移的 源动力。因此，冻胀问题是属于水分迁移研究的范畴。后来实验发现冻结缘的存 在及其在水分迁移中所起的重要通道作用、非连续冰透镜体的产生及增长等现象 表明了毛细理论的局限性。为此m i l l 一蜘提出在新形成并继续增大的冰透镜体与 冻结锋面之间存在一个低含水量、低导温率和无冻胀的带。称为冻结缘( f r o z e n f r i n g e ) ，克服了毛细理论的不足。此称为第二冻胀理论。随后k o n r a de ta l 、 g i l p i n 矧、p c n n c r f 矧、a k a g a w a l 4 刀及t a k e d ae ta l ! 柏l 等冻土界学者从不同的角度对 冻结缘形成、发展及特征进行了试验和理论分析研究，报道了大量的相关的论文。 s a t o s h ia k a g a w a ( 4 1 利用x 射线照相分析了有压开放系统的亚粘土试验，得 到了冻胀率、吸水速率和冻结缘的厚度及温度，表明，冻结缘的厚度随持续时间 从1 2 m m 减小到1 0 m m ，冰分凝温度在0 8 附近波动；t a k c d ac ta l 【拈荆用c c d 照相对k a n t o 粘土冻结锋面附近的微结构进行了动态摄影，发现冰分凝面上，冰、 6 第一章绪论 土颗粒和未冻水的活动很活跃，冰层的结晶构造随生长速度而变，冰层是可渗透 的且有双冰层生长；w a t a n a b ee ta l 4 9 】同样利用c c d 照相机观测f u j i n o m o d 粘土 冻结锋面的微结构，发现冰透镜体的形成与冻结速度及冰暖端的温度有很大的关 系，而临界冻结速率与冻结锋面处的颗粒含量有关；何平等研究表明，冻结缘现 象是由于该区各点处的水分驱动力与相变温度同时满足相变条件而形成的，分凝 冰的形成条件由温度场及应力场统一控制酬；李萍等利用图像数字化技术反演分 析了冻缩缘和分凝冰的厚度和位置以及冻结缘导温系数，表明：冰分凝速度随试 验持续时间呈幂函数形式减少，随着温度梯度的降低，分凝冰生长速度降低并趋 于稳定，冰分凝温度逐渐升高并达到稳定平衡状态，冻结缘导温系数随试验历时 呈指数形式减少【5 i 】。 与此同时，与水、热迁移的各类冻胀模型蓬勃发展。自1 9 7 3 年h a r l a n i s 4 1 首 先提出正冻土的水热输运耦合模型之后，涌现出了刚性冰模型( r i g i di c e m o d e l ) 、 分凝势模型( s e g r e g a t i o np o t e n t i a lm o d e l ) 、热力学模型( t h e r m o m e c h a n i c a lm o d e l ) i 明。 基于m i l l e r 的第二冻胀理论，o n e i u e ta l l 5 6 】首先提出了刚性冰模型，其强调 了相变过程中力作用的重要性，解释了非连续分凝冰的形成枧理。模型假设冻结 缘中的冰与正生长的冰透镜体紧密的连在一起。当冻胀发生时，孔隙冰能通过微 观的复冰过程移动，随后h o l d e n i 佣、p i p e r l 5 8 】及i s h i z a k ie ta l l 5 9 l 继续改进和简化了 刚性冰模型；8 0 年代出现了分凝势模型，n i x o n l 和k n u t s o n 【6 1 1 曾利用分凝势模 型分析实验室和野外现场的冻胀数据；随后徐教祖f 6 2 1 及n i x o n l 6 3 1 等研究者发现分 凝势模型适合应用于温度梯度是已知的条件下，对于非稳定热状况条件，分凝势 并不是常数，不应再用分凝势模型解决冻胀问题。基于质量、动量及能量守恒及 熵不等式的热力学模型是d u q u c n n o i “i 于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 6 5 1 改进发展而成，该模型能描述由于孔隙水连接、孔隙水和热量迁移及 冻胀引起的吸力。g r e c h i s h c h e ve ta l 根据热动力学相平衡条件及热质迁移动力学 原理分析了含盐土冻结过程中冰、小孔隙水溶液以及大孔隙水溶液之间的相转化 机理，并建立了冻融过程中相转换动态物理模型l s 2 l ；s h e s h u k o ve ta l 建立了含盐 土体冻融过程中水、盐及热的迁移模型，并进行了数值模拟计算【5 3 】；m i a ot i a n d e c ta l 在连续统混合物理论框架下对正冻结固、液、气三相体建立了各相耦合的理 7 青藏铁路粒径改良路基试验及温控机理研究 论方程1 6 6 l ：李洪升等基于冻土的水分场、温度场和外荷载的相互关系，提出了考 虑水分迁移、热质扩散和外荷载相互作用的冻胀预报模式，能较好地预测预报冻 土的冻胀量大小与发展过程f 6 7 】；何平等依据连续介质力学、热力学原理，提出了 土体冻结过程中的三场耦合方程i 铷；陈飞熊，李宁等通过对冻土多孔多相徽元体 的平衡方程、各项成分之间的变形协调方程，提出了正冻土的控制微分方程的理 论框架，建立了在多孔固液介质的质量守恒方程与多孔多相介质的热能守恒方程 的基础上的全面考虑冻土中骨架、冰、水三相介质水、热、力与变形的真正的耦 合作用的数理方程【吲。虽然热力学模型可以考虑冻胀、水热迁移与水分冻结过程 中的孔隙吸力，然而它仍在发展中，目前无法在工程中应用。 无论如何，冻土力学作为一门学科，毕竟还很年轻，而它所研究的对象却是 那么的复杂而多变，从根本上讲，冻土力学正面临着人类未曾有过的新的挑战。 寒区工程规模、寒区工程应用条件以及气候、环境的新变化，均给冻土力学提出 了一系列有待解决的新课题。正如文献1 1 8 】所说：冻土力学在以后必须在处理问 题上提高它的实用性，在理论体系上提高它的完整性，在测试、计算上进一步提 高它的精确性，为进一步提高寒区工程的耐久性，消减人力、财力、物力的大量 浪费发挥它应尽的责任，进而服务于我国的经济建设。 1 3 2 多年冻土区主要工程问题及防治措施研究现状 冻土是一种特殊的土体，是一种对温度极为敏感且性质不稳定的土体，其成 分、组构、热物理力学性质均有着不同于一般土的许多特点啊。冻土区活动层每 年都发生着季节融化和冻结。由此产生了冻土区工程建设的一系列特殊的工程地 质问题，引起了广大冻土工作者关注。其主要表现为融沉、冻胀和不良的冻土现 象。 1 、融沉 在多年冻土区修筑道路工程后，改变了地表与大气的热交换条件，结果通常 是路基内的吸热最增加，路基内逐年的热积累使下伏土体温度升高，多年冻土融 化，从而引起道路的下沉变形。这是引起路基变形和破坏的主要原因。据高原多 年冻土区公路路基病害的调查表明，8 0 以上是由于路基下部多年冻土的热融沉 陷引起的1 6 9 l ；俄罗斯贝阿铁路在近1 3 产生病害的路段，有2 0 是不均匀沉降 引起的。多年冻土区排水不畅是引起基底融沉的主要原因，路基的修筑可能影响 第一章绪论 地表水的排泄，若地面排水措施不当造成路基积水则极易发生严重的融化。破坏 地表植被也可能造成冻土上限下降而产生融沉。另外，在冻土区筑路，施工季节 的选择也是十分重要的：夏季施工条件好，但对地表的扰动大，在一定条件下造 成的堤身蓄热对保护冻土极为不利，冬季施工条件差，但对保护冻土很有利1 7 1 。 2 、冻胀 所谓冻胀，是指土冻结过程中，土中水分( 包括外界向冻结锋面迁移的水分 及孔隙中原有的部分水分) 冻结成冰，并形成冰层、冰透镜体、多晶体冰晶等形 式的冰浸入体，引起土颗粒间的相对位移，使土体体积产生不同程度的扩散现象。 其外观表现形式是土表层不均匀升高。冻胀变形常常可以形成冻胀丘及隆岗等一 些地形外貌【1 l 】。总体而言，在低温冻土区，活动层厚度一般较小，且存在双向冻 结，冻结速度较快，故冻胀相对较轻，而在高温冻土区，活动层厚度一般较大， 冻结速度低，冻胀相对较重1 7 1 。 在寒冷地区的国家中，最初遇到的问题是铁路、公路路基的冻胀问题。1 9 2 5 年由瑞典公路研究所召开的冻土会议上，交流了有关路基工程的冻害文献，这是 世界上最早的冻土专业会议，而最早从事道路冻胀研究的是瑞典道路研究所的 吉向斯库，曾进行过大量的道路的冻胀研究工作【1 1 1 。 3 、不良的冻土现象 7 7 0 , 7 1 1 冻土区特殊的气候和地质环境是形成不良冻土现象的根本原因。主要有与厚 层地下冰有关的热融滑塌、热融湖塘和与地下冰有关的冻胀丘、冰锥等。 ( 1 ) 热融滑塌 热融滑塌主要发生在山丘和丘陵地区的有厚层地下冰分布的斜坡。由于自然 因素或人为活动破坏了斜坡的热平衡，导致厚层地下冰融化，斜坡土体沿冻融界 面移动而形成滑塌，如图1 2 。 ( 2 ) 热融湖塘 热融湖塘多发生在横坡小于3 。的厚层地下冰地段，大部分分布在河谷平原、 不稳定的多年冻土区。它是由于自然营力或者人为活动破坏了多年冻土的热平衡 状态而导致多年冻土冰层发生局部融化而发生沉陷形成的。这与人类活动有着十 分密切的关系。在多年冻土区几乎每一项工程都可能因有关问题处理不当而引起 热融湖塘。 9 青藏铁路粒径改良路基试验及温控机理研究 图1 - 4 冰锥 图1 - 2 热融滑塌 图1 - 3 冻胀丘 1 0 图1 - 5 冻拔石 第章绪论 ( 3 ) 冻胀丘和冰锥 冻胀丘和冰锥是多年冻土区道路工程最经常遇到的不良冻土现象。它们的形 成与地下水的补给有密切的关系。广泛分布于低山丘陵次稳定多年冻土区和河谷 平原不稳定多年冻土区，中高山稳定的多年冻土区的山岳垭口也有分布。青藏公 路6 2 道班附近北侧的冻胀丘长1 4 0 米，宽4 5 米，高1 8 米，是我国目前已知规 模最大的冻胀丘，如图1 3 ，1 4 。 纵观以上冻土区工程建设所发生的主要特殊工程地质问题，这给冻土区工程 建设的设计、施工和运营等带来了很大的困难。这一方面会使已有的建筑物产生 各种病害而影响建筑物的正常使用，同时也会导致建筑物( 如铁路、公路等) 的 养护费用不断提高，另一方面也将严重制约冻土地区建设的发展。青藏铁路是在 海拔最高的冻土区修建的一条高原铁路，其特殊性和复杂性在铁路建设史上尚无 先