（道路与铁道工程专业论文）青藏铁路冻土区路基工程裂缝问题研究.pdf

中文摘要 中文摘要 冻土区路基工程的修建，在改变原来天然地面的散热特征和多年冻土季节融 化层水热输运特征的同时，作为横垣地面的连续线型结构物，还极大地改变了原 有的地表水热环境特征，使路基修筑以后形成的新结构物与周围环境开始了新的 二维传热过程，伴随这种传热过程的土体变形对路基工程裂缝的发生和发展起了 很重要的作用。青藏铁路开通工程列车后，列车振动荷载的介入增加了新的影响 因素，使路基工程裂缝的发生发展过程更加复杂。 2 0 0 1 年开工建设的青藏铁路冻土试验工程经过一个冻融循环后，路基不同部 位出现了工程裂缝，其后不同阶段也陆续出现了一些不同程度的工程裂缝。研究 不同阶段冻土区路基工程裂缝的发生机理、工程对策，对保证今后青藏铁路冻土 区线路长期安全运营具有重要应用价值。 本文以青藏铁路冻土区路基工程裂缝为研究对象，以经典冻土学理论和国内 外对路基工程裂缝理论认识及研究成果为基础，进行了以下几个方面的研究： l 、通过现场调查初步明确了影响冻土区路基工程裂缝的工程地质条件、环境 地质条件和水热环境条件等主要因素，分析了工程修建引起的水热环境变化，提出 了控制影响路基工程裂缝的人为水热环境应注意的问题。 2 、结合青藏铁路工程实际，对冻土区路基修建后不同时期出现的不同部位和 形态的路基工程裂缝，从传热学角度，即从路基土体冷生过程的角度对工程裂缝发 展进行了阶段划分，研究了不同阶段路基工程裂缝发展的特征，分析了不同阶段影 响路基工程裂缝的不同因素和发生部位。 3 、通过对路基地温场、变形观测、裂缝发生及发展的形态变化的实际观测， 从土质学机理、冻土冷生机理和水热环境影响机理三个方面对路基工程裂缝的发生 机理进行了研究，针对不同阶段冻土区路基工程裂缝的发生机理和发展过程，提出 整治裂缝的工程对策。 4 、针对防治路基丌裂典型工程对策的长期效果进行了数值计算模拟和分析， 结合实际观测结果对防止裂缝和整治裂缝的技术关键和工程管理提出可供实践的 意见。 关键词：多年冻土；路基工程；裂缝；机理；工程对策；效果评价 分类号：u 2 1 3 1 + 4 ：t u 4 4 1 + 3 图7 5 幅，表3 6 个，参考文献1 5 5 篇。 北京交通人学博十学位论文 a b s t r a c t c o n s t r u c t i o n so fr o a d b e di np e r m a f r o s ta r e a sh a v ec h a n g e dt h et h e r m a ld i s t i n c t i o n o fo r i g i n a ln a t u r a lg r o u n ds u r f a c ea n dt h ed i s t i n c t i o no fw a t e r - h e a tt r a n s p o r t a t i o nw i t h i n s e a s o n a lt h a w i n gl a y e ro fp e r m a f r o s t a sw e l la st h e w a t e r - h e a te n v i r o n m e n t a l d i s t i n c t i o no fo r i g i n a lg r o u n ds u r f a c e a l lt h e s ec h a n g e sh a v el e dt oan e w t w o d i m e n s i o n a lh e a t t r a n s f e rp r o c e s sb e t w e e nt h en e ws t r u c t u r e sa n dt h ee n v i r o n m e n t a tb o t hv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i r e c t i o n s r o a d b e dd e f o r m a t i o na s s o c i a t e dw i t hs u c h h e a t - t r a n s f e rp r o c e s si n f l u e n c e st h eo c c u r r e n c ea n dd e v e l o p m e n to fc r a c ko fr o a d b e d a f t e rt h ep e r m a f r o s tr o a d b e dc o n s t r u c t i o no f q i n g h a i - t i b e tr a i l w a yc o m p l e t i o n ， v i b r a t i n gl o a df r o mt h ec o n s t r u c t i o n a lt r a i n sm a d et h em e c h a n i c a le x p r e s s i o no ft h en e w h e a t - t r a n s f e rp r o c e s sm o r ec o m p l e x n ep e r m a f r o s tt e s tr o a d b e dc o n s t r u c t i o no fq i n g h a i t i b e tr a i l w a yw a sb u i l ti n 2 0 0 1a n dc r a c k so c c u r r e da td i f f e r e n tp l a c e so fr o a d b e da f t e rf i r s tc y c l eo ff r e e z i n ga n d t h a w i n g i ti sv a l u a b l et os t u d yt h em e c h a n i c sa n de n g i n e e r i n gs o l u t i o n st oe n s u r et h e s a f e t yo fl o n g - p e r i o do p e r a t i o no fq i n g h a i - t i b e tr a i l w a y b a s e do nc l a s s i ct h e o r yo fc r y o p e d o l o g ya n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so fr o a d b e d c r a c k s ，t h ec r a c ko fq i n g h a i - t i b e tr a i l w a yr o a d b e dw a ss t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i t s m a i nc o n t e n t sa r eg e n e r a l i z e da sf o l l o w s 1 e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，e n v i r o n m e n t a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n d w a t e r - h e a te n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e da si n f l u e n t i a lf a c t o r so fc r a c k o c c u r r e n c eb yf i e l ds u r v e y c h a n g e so fw a t e r - h e a te n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sc a u s e db y r o a d b e dc o n s t r u c t i o nw e r ea n a l y z e d ，a n dk e yp r o b l e m st h a tc o n t r o lt h ec r a c ko fr o a d b e d w e r ep r e s e n t e d 2 c r a c k sw e r ec l a s s i f i e da c c o r d i n gt oi t sl o c a t i o na n ds h a p e d i s t i n c t i o n so f d i f f e r e n td e v e l o p m e n ts t a g e so fr o a d b e dc r a c kw e r es t u d i e d a l s oi n f l u e n t i a lf a c t o r sa n d o c c u r r e n c el o c a t i o n sw e r ea n a l y z e d 3 t h em e c h a n i c so fo c c u h e n c eo fr o a d b e dc r a c k sw a ss t u d i e df r o mp h a s e so fs o i l m e c h a n i c s ，p e r m a f r o s tc o o l i n gm e c h a n i c sa n dw a t e r - h e a te n v i r o n m e n t a li n f l u e n c e m e c h a n i c sb yf i e l ds u r v e yo fg r o u n dt e m p e r a t u r ef i e l d ，r o a d b e dd e f o r m a t i o na n dt h e d e v e l o p m e n t o fc r a c ks h a p e r e g u l a t i n gm e a s u r e sw e r ep r e s e n t e d 4 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sa c c o m p l i s h e dt oe v a l u a t et h el o n g p e r i o de f f e c to f r e g u l a t i n gm e a s u r e sf o rc r a c k s f i n a l l yk e yp r e v e n t i v ea n dr e g u l a t i n gt e c h n i q u e sa n d s u g g e s t i o n sw e r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：p e r m a f r o s t ；r o a d b e de n g i n e e r i n g ；c r a c k ；m e c h a n i c s ；e n g i n e e r i n g c o u n t e r m e a s u r e s ； e f f e c te v a l u a t i o n c l a s s n o ：u 2 1 3 1 + 4 ：t u 4 4 1 + 3 f i g u r e ：7 5 ；t a b l e ：3 6 ；r e f e r e n c e s ：1 5 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) 学位论文作者虢喜 导师签名： 签字日期：力邓多年仁月舻日 签字日期：多年2 月，口e l 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。 学位做作者签名：芗小孑几签字醐：泖辟胗引明 1 4 3 致谢 本论文是在我的导师魏庆朝教授的悉心指导下完成的，魏老师严谨的治学态 度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，能让我安心的从事科研工作，并 精心指导我完成了科研工作和论文写作，在此衷心感谢四年多来魏庆朝老师对我 的关心和指导。在青藏铁路建设期间，我曾经跟随张鲁新教授工作近四年，他传 授给我大量的冻土学知识，在工作、学习和生活上也给予我很多关爱和帮助，并 悉心指导我完成了本研究的实验室和野外的科研工作，在此向张鲁新老师表示衷 心的感谢。 北京交通大学许兆义教授、王连俊教授、刘建坤教授、赵金顺教授、何平研 究员和中科院寒旱所马巍研究员、吴青柏研究员对于我的科研工作和论文写作都 提出了许多的宝贵意见。中铁六局的刘登科博士也给予了我很大帮助。 在实验室工作及撰写论文期间，北京交通大学沈宇鹏博士、原思成博士、杨 永平博士、冯雅薇博士、杨丽明博士、李兴高博士等也给了我很多支持和帮助。 同时，也感谢我的夫人王会芝，她的理解和支持使我能够专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 研究背景 1绪论 2 0 0 1 年6 月2 9 同，青藏铁路格拉段开工建设，成为历史上第一次进行的青藏 高原多年冻土地区大规模实体路基工程。2 0 0 1 年先期进行的试验工程施工后，路 堤工程填土经过第一年的冻融循环，在路基不同部位即出现了不同程度的裂缝； 2 0 0 2 年冻土区路基工程全面施工以后，经过第一个冻融循环以后，2 0 0 3 年暖季初 开始又陆续在一些地段出现了路基工程裂缝。2 0 0 4 年至2 0 0 6 年，在个别路基地段 也出现过极少的裂缝。 冻土区路基工程裂缝的发生、发展必然影响线路的工作状态，研究其发生机 理及预防和整治方法，成为青藏铁路建设期间必须解决的重要课题，也是初期运 营期间防治裂缝发生、根治裂缝病害必须解决的关键问题。 填土路基发生裂缝在既有线路普遍存在，大多数是由于填土性质和自然环境 引起填土水分或者基底水分的骤然变化，导致土体不均匀压缩( 在裂隙土地区也 可能是不均匀膨胀) ，使路基各向变形不均匀形成拉应力，从而造成裂缝发生。冻 土区路基由于温度和水分的介入使这个问题变得更为复杂，从冻土学基础理论和 冻土路基工程修建后工程状态的变化及变化机理等方面入手进行深入研究，对于 开通运营后青臧铁路的安全运营具有重要的实用价值。 1 2 经典冻土学理论和国内外对路基工程裂缝认识研究 1 2 1 基于传热理论的原因研究 上个世纪初期俄罗斯舒姆金的“普通冻土学 中对天然条件下的土体裂缝 问题就有详细论述，认为裂缝实际上是一种土体冷生现象，天然条件下冻土冷生 现象多种多样，影响因素也十分复杂；认为“和工程有关的较为单一的冷生现象 一寒冻裂缝及其影响因素”主要是由于“冻土与冰在温度降低时收缩而开裂的作 用”，这种冻缩开裂作用，是产生寒冻裂缝的因素之一。寒冻劈裂裂缝在冻土区域 是一种广泛分布的现象，它既出现在活动层，也可以出现在下卧冻土层。根据俄 罗斯资料，裂缝上部宽度一般4c m 左右，贝加尔湖地区可以见到1 0c m 的裂缝( 均 指天然冻土) 。其形成原因是：冬季强烈冷却时岩土体积变化产生应力，这种应力 由温度梯度、岩体中水分状态变化和沉积物成岩作用引起。既可以出现在天然冻 北京交通人学博十学位论文 土中，也存在于扰动后稳定的冻土中。在天然条件下，寒冻裂缝将冻土分割成多 边形网。 “寒冻裂缝的密度主要取决于温度较差，温度较差越大，产生寒冻裂缝的可 能性越大，冻缩开裂造成的寒冻裂缝深度则主要决定于年平均地温和岩性，对不 同岩性的土，使冻缩开裂深度能超过活动层而贯入到多年冻土上部所需要的年平 均地温值( 注：与冻土年平均地温概念有区别) 不同，亚砂土和泥炭为一2 - - - 4 ，砂土为一4 一6 ，砾石为一6 一8 ，久而久之，这种冻胀开裂可以形成冰脉、 冰楔( 地温较高时) 或土脉、土楔( 地温较低时) ，砂脉、砂楔( 严寒干燥区域) 。 “而土体稳定( 工程上讲就是抵御变形能力) 的本质，实际上是团聚体之间 和团聚体内部的连结力，也即组成土的各组份的粘聚力。而这种连结一粘聚力又取 决于土的种类、温度和含水量，冻土的粘聚力可以相对地划分为： ( 1 ) 分子内聚力一被水膜所分开的矿物颗粒之间的分子吸力； ( 2 ) 结构粘聚力一在地质成岩过程中由各种作用造成，当天然结构遭到破坏 时，这部分粘聚力就消失了。 ( 3 ) 胶结冰粘聚力一这部分粘聚力最不稳定，它随温度的波动而变化，并且 在融化后完全消失。 裂缝产生还有地质学原因的影响，认为形成冷生现象、冷生形成物和冷生地 形的冷生作用一般可以分为三类： ( 1 ) 在岩土体相对稳定时进行的冷生作用； ( 2 ) 与岩土物质积累( 包括地下冰积聚) 有关的冷生作用； ( 3 ) 堆积或剥蚀进程或参与堆积或剥蚀进程的冷生作用。 对工程来讲“主要是第一、三类，即在冷生作用发育的年循环中岩土体保持 相对稳定时发生的冷生现象和过程，主要指寒冻裂缝和参与堆积作用的冷生现象 和冷生作用，指在冻结和融化作用影响下在冷生作用的总方向倾向于冻结方面发 生的，如土、岩寒冻劈裂进一步发展时有可能形成脉状冰，其发展条件是：裂隙 贯入到季节融化层以下，水充填其中，其后，水冻结以及平面上的堆积物发生共 生冻结，寒冻裂隙水分多次冻结，使冰楔在水平方向上逐渐增长，上述作用是在 该地区总的趋向于冻结的情况下，冻结与融化过程交替作用的结果，周围土层松 散层增厚情况下，冻结作用使裂隙加大”。 上述温度、岩性、地质学各类因素的组合也决定了这种或那种冷生现象的位 置和强度。季节性冻胀、寒冻裂缝的形成是在冷生作用的年循环中，岩土体保持 相对稳定时所发生的冷生现象与过程，这种过程与岩土组构和含冰量在冻结与融 化作用影响下发生的季节变化有关。 由上所述，季节性冻胀、寒冻裂缝的形成是在冷生作用的年循环中，岩土体 2 1 绪论 保持相对稳定时所发生的冷生现象与过程，这种过程与岩土组构和含冰量在冻结 与融化作用影响下发生的季节变化有关。 当岩土的性质和均质性不同时，由于地质约束面位置不同，约束面上交替发 生的土体冻结和融化结果不同，因此在不同地区产生土的寒冻劈裂程度不同。 对于冻土路基的裂缝，可粗略地用下式判吲圳： 口- 矗k k | 岳 式中：k l e 一冻土的断裂韧度，m p a m 2 。 对于自重荷载作用下的路基体，当其应力强度因子达到某一临界值时裂缝就会 发生。断裂判据就是指当冻土或界面发生断裂破坏时的条件及其数学表达式。其 冻土受力状态转化为悬臂梁。在弯距m 作用下，其应力强度因子为 ( w i e r z b i c h ，1 9 8 5 ；t o m i ne ta 1 ，1 9 8 6 ) k 等c a ( x 9 9 2 4 4 式中：肘一弯距大小；口一路基坡脚的初始裂缝长度；j i l 一多年冻土最大融化深 度。 当k t 玩，说明路基的裂缝 会继续发展，路基裂缝不稳定。 t 寒冻裂缝的计算采用托斯托瓦洛夫的推导，在假定应力和温度的变化成比例的 条件下，冻结土体表面附近的剪应力可用如下方程表示f 3 4 】： r ，a0 5 n 口。g 工。g r a d 亭f 式中：g r a d 宇一冻土的温度梯度， c m ： g 一剪切弹性模量，g ；e 2 ( 1 + j 1 ) ，e 一弹性模量，弘一冻土的泊松 比： 口一冻土的线性( 温度) 压缩系数；以一近似等于1 的比例系数。 令万一1 ，得到冻结土体的裂缝长度： 2 r x 口g g r a d 喜t g r a d 鸯ti t 哆饽 式中：t 盯路基表面温度，；宇一多年冻土融化深度，m 。 寒冻裂缝宽度可以近似用下式表示： d 一口t s f 。x 1 2 2 路基工程裂缝的工程理论研究 3 北京交通人学博十学何论文 1 ) 冻土路基工程变形认识 多年冻土地区热稳定性的丧失将导致路基工程发生冻害变形，严重影响路基 的稳定性。冻土地区路基病害主要有地基和路堤冻胀和融沉引起的路基变形。冻 土的融沉是冻土最主要的特性之一，是导致多年冻土地区路堤变形最主要的因素。 人们对冻土工程特性的认识是随着在冻土地区工程实践活动的开展而逐渐加 深的。2 0 世纪5 0 、6 0 年代，为了解决寒区基础冻胀、融沉等热循环过程中的许多 工程问题，保障多年冻土地基的稳定性，美国陆军工程兵团的e r w i nl o n g 旧1 在5 0 年代后期从保护不稳定冻土地基作为研究对象，发明了一种无芯重力式热管，称 为“l o n g 热桩。1 9 6 0 年安装在g 1 i n n a l l e n 的通讯塔地基中，1 9 7 3 年e r w i nl o n g 在阿拉斯加的安科雷季成立了北极基础有限公司，开始向社会公开提供热桩产品 和技术服务。1 9 7 4 年，美国阿拉斯加输油管线工程中大量使用了热棒，该输油管 线从北冰洋起横穿阿拉斯加至太平洋，全长1 2 8 4k m 共使用了11 2 0 0 0 根热棒，管 线修建完工后运行状态的测试结果表明，安装热棒后，保持了冻土的稳定。到目 前为止，这些热棒已稳定运行了近3 0 年，阿拉斯加输油管线工程是人类利用热棒 技术解决冻土稳定问题最成功的工程典范。上世纪6 0 年代，加拿大、前苏联学者 c 兀t a 兀e e b 口刮都对热棒进行了研究。我国在7 0 年代初开始对热管技术进行研 究，并且进行了野外现场试验，结果证明热棒具有明显降低地温的作用。 1 9 6 9 - 1 9 7 0 年，前苏联铁路运输研究院沃诺冻土研究试验室利用乱毛石和大 块碎屑石降低路堤基底土温度，结果表明，堤身温度状态不仅靠接触热传递，而 且主要依靠孔隙中气体对流来传递，我国同期进行的试验也得到类似的结果。其 机理认为是冬季由于大气降温，路堤外面较冷的空气由于较重而进入路堤内部， 引起路堤基底土体急剧冷却，冬季把冷能储存起来，夏季由于大气温度升高，外 界气体密度减小而不能进入路堤体，不能与路堤填料空隙中的冷空气进行热量交 换，故能起到保持路堤基底低温的作用。 前苏联贝阿铁路局线路调查站通过对铁路冻害变形进行的长期观测发现，路 基的融沉变形主要是由积水渗漏和路堤本身的热效应引起的，我国崔建恒、程洪 哲通过对青藏公路路基工程研究，发现了基本相同的路基破坏原因，并建议通过 加强地表排水，设置碎石护坡来减小、防止病害的发生。朱元林、吴紫汪等在1 9 8 1 1 9 8 2 年的研究中分别指出，影响冻土融沉的因素不止是土体的温度状况，还与土 层的含水量、路基土体及填料的干密度、冻土层中粉粘粒含量等因素有密切关系。 许东洲等对路基的融沉变形进行了全面分析，指出整治路基融沉变形应从以下几 方面进行：改善路面吸热条件，减少热量输入；增加垂直热阻或减少垂直热流； 改善路堤的散热条件，包括路堤堤身的垂直和侧向散热条件；提高路堤高度，减 小垂直地温梯度；加强地面排水，疏干冻结层上水。 4 1 绪论 前苏联、美国和加拿大在2 0 世纪5 0 年代研究采用无机哉来减小或消除土体 冻胀，1 9 6 0 年前苏联运输建筑科学研究所西伯利亚分所采用食盐溶液来防止路基 土体的冻胀，结果表明，当食盐溶液浓度控制在一定范围内时，可以很好控制土 体的冻胀变形，而盐渍化不会改变土体的工程性质，对亚粘土或粘土，土层的压 缩性甚至有所减小，抗剪强度有所增加。前苏联和加拿大都研究采用保温材料来 防止土体的冻胀变形，保温材料采用腐植土层、泡沫塑料板、石灰土层、水泥土 层等，并用于实际工程，取得良好的效果。2 0 世纪7 0 年代中期以来，为解决工程 建设中的难题，我国科技工作者为探索土体冻胀规律，进行了大量的室内试验和 现场观测。研究发现，影响土体冻胀的因素非常复杂，主要有以下几方面：土层 的深度，冻胀沿深度的分布呈现一定的规律性，通常在活动层的1 3 2 3 深度范 围内的土层产生的冻胀量大约占了全部土层冻胀量的9 0 ；冻土层中粘粒含量；超 载对土的冻胀有抑制作用；土体含水量大小：冰冻条件，包括冻结速率和温度梯 度两方面影响。 我国在冻土路基的温度场保护、冻胀和融沉变形的特征分析方面积累了丰富 经验，在冻土基本理论、冻土变化规律及其在工程中的应用方面也取得了一定进 展，同时在不断探索研究解决冻土问题的新途径、新方法。但由于以往的许多研 究过于偏向热力学方面的分析和研究，还不能很好的对实际工程提供指导。因此 必须在以往研究成果的基础上，结合工程实际，有针对性的解决实际工程需要解 决的问题。 2 ) 动荷载引起变形和裂缝研究 大量证据表明，交通动荷载作用下多年冻土路基破坏与冻土动力学性能劣化 密切相关。目前，国内外冻土动力学研究主要集中于简单振动作用、地震作用或 冲击作用下冻土动力学参数变化规律研究。k a p l a r ( 1 9 6 9 ) 1 试验研究利用振动测试 法测定冻土的动弹性模量，研究不同冻土土质的动弹性模量随温度的变化规律。 s t e v e n s ( 1 9 7 5 ) 刚研究了稳态j 下弦振动作用下冻土刚度和阻尼变化规律，探讨温度 和荷载频率对这两个指标影响。t s y t o v i c h ( 1 9 7 5 ) 等呻1 研究加载速率和温度对冻结 砂土压缩强度的影响，结果表明加载速率增大和负温降低，冻结砂土的单轴压缩 强度增大。v i n s o n 等( 1 9 7 8 ，1 9 8 3 ) 陋憎利用循环动三轴试验研究冻土动力特性影响 因素，随围压( 0 1 5m p a ) 增加，冻结砂土动弹模增大，冻结粉土动弹模值略有 减小，而粘土动弹性模量则几乎没有变化；动应变幅值、温度、荷载频率、含水 量对动弹性模量和动阻尼比有影响，温度降低或频率加快，冻土的动阻尼比变小； 阻尼比随含水量和围压的变化较分散，总体上随含水量增加或围压变大，略有变 大趋势。在1 0 。1 0 咕应变范围内，粉土和粘土，随应变幅值增加，阻尼比变大； 砂土，随应变幅值增加，阻尼比变小。应变小于1 0 。5 时，对各种土类，阻尼比几乎 5 北京交通人学博十学位论文 都不变，粗粒土动应力一应变比细粒土大一个数量级。v i n s o n 等( 1 9 7 8 ) n 踟还利 用循环三轴实验模拟地震作用下多年冻土区冻土的动弹模和阻尼比。l i 等( 1 9 7 9 ) n 4 恼1 也利用三轴试验研究了冻结砂的动弹性模量和动阻尼比随温度、荷载频率、含 水量和密度的变化规律，结果表明荷载大小对冻土蠕变参数有明显影响。v o v k ( 1 9 8 0 ) 等刚利用打桩机上自由落体物冲击力来研究冻土在动力作用下结构特征 变化规律，得到冻土的应力应变关系与冻土颗粒大小相关关系。c z a j k o w s k i 等 ( 1 9 8 0 ) 研究冻结淤泥在模拟地震作用下动力特征，结果表明其动弹模随轴向 应变幅值增大、温度增高而变小，随荷载频率增大而增大，而这些因素对动阻尼 比无影响。j e s s b e r g e r 等( 1 9 8 2 ) n 踟的循环三轴冻结含盐砂土动荷试验讨论了温 度和荷载频率对冻土弹性、塑性的影响关系。p a r a m e s w a r a n 等( 1 9 8 4 ) n 训在冻土 中桩基在动力荷载和静力作用下位移反应研究中发现，动荷作用下的冻土蠕变速 率明显增大。b o s s c h e r 等( 1 9 8 7 ) 啪3 利用共振柱试验研究了获取渥太华冻结砂土 的刚度和阻尼的方法，还讨论了围压对这两个参数的影响规律。为探索多年冻土 区冻土应变规律，m i k h a l y u k 等( 1 9 9 1 ) 砼13 利用冲击和爆炸法对乌克兰k h a r y a g i n 冻 土地区的灰色填土进行研究，得到该类土在恒定体应变下的应力应变关系，并定 义了动荷载作用下几个描述冻土形变特征的几个指标。利用h o p k i n s o n 压力棒作 为振源，d u t t a 等( 1 9 9 1 ) 乜2 1 在实验室研究振动波在冻土内的衰减规律时发现，由 于受波的频散和冻土剪应变的影响，小应变下冻土内振动波并不一定呈指数规律 衰减。m i k h a l y u k 等( 1 9 9 1 ) 研究发现冻土动荷载变形对冻土中冰相变影响很大。 f u k u d a 等( 1 9 9 1 ) 阿1 研究表明在o 一l o 范围，冻土波速与温度密切相关，粘性 土波速更易受温度影响；含水量对波速影响明显，在一l ，高含水量冻土波速大。 a n d e r s e n 等( 1 9 9 5 ) 盥耵研究了三轴实验下冻结砂小应变规律。a i - h u n a i d 等( 1 9 9 6 ) 哺1 的共振柱实验表明在低幅值动剪应变作用下冻土阻尼比比非冻土的大两倍，剪 切模量大3 0 - - 一5 0 倍。g r e g o r y 等( 2 0 0 3 ) 乜7 1 利用一套高压、低温三轴试验研究单 轴压缩下冻土相对密度、围压、应变速率和温度对冻结m a n c h e s t e r 细砂本构关系 的影响，他将0 5 1 o 应变点定义为上限屈服点，且为冻土高度非线性变形开始 点，并以此来分别研究小应变和大应变下冻土力学性能。结果表明小应变下冻结 砂土变形过程对相对密度和围压不敏感，但对应变速率和温度很敏感；在大应变 下相对密度和围压对冻土的变形影响很大，同时对体积应变的影响也很大，冻土 的上限屈服点与其相对密度和围压关联不大，但受应变速率和温度影响明显。 k i y o t a 等( 2 0 0 6 ) 啪1 研究了动荷作用下冻土的液化特性。 3 ) 冻土动力学研究 我国学者在冻土动力学方面也取得了系列成果，一些成果为欧美等发达国家引 用。朱元林等( 1 9 9 2 ) 啪1 据土质、含水量、应变率及温度的不同给出9 种冻土的 6 1 绪论 应力应变关系。何平等( 1 9 9 3 ) 啪1 研究了饱和冻结粉土动弹模及动强度。吴紫汪等 ( 1 9 9 3 ) 。m 1 研究了动荷下冻土强度与蠕变规律。朱元林等( 1 9 9 4 ) 口纠探讨了围压对 冻结粉土在振动荷载作用下蠕变性能的影响。何平等( 1 9 9 5 ) b 3 1 研究了振动频率 对冻土破坏影响规律。李洪升等( 1 9 9 5 ，2 0 0 3 ，2 0 0 6 ) 。勰1 应用断裂力学方法研究 了冻土断裂韧度测试方法，并系统研究冻土的断裂力学与损伤行为。盛煜等( 1 9 9 5 ) 油3 应用蠕变理论研究了冻土在增应力过程中蠕变。苗天德等( 1 9 9 5 ) h 州也对冻土 蠕变过程的微结构损伤进行了研究。沈忠言、张家懿( 1 9 9 6 1 9 9 8 ) h 卜4 4 1 对饱和冻结 粉土的动强度、破坏准则等动力学指标进行了大量研究工作，结果表明，振动荷 载作用下饱水冻结粉土的抗压强度和荷载效应( 速率效应和疲劳效应) 对冻结粉 土动强度和长期极限动强度的影响很大，速率效应使冻土的动强度和回弹动弹模 随应变速率加快而提高，疲劳效应虽使冻土的动强度随振频增加而下降，但在低 应变速率下却使动强度略有提高，在高应变速率下动强度大于静强度，在低应变 速度下动强度小于静强度，其自j 存在一个临界应变速率，同样，围压对冻结粉土 动弹模的影响也存在一个临界值。 俞祁浩等( 1 9 9 6 ) h 胡研究了冻土冲击试验的尺寸效应。朱元林等( 1 9 9 8 ) m 1 研究了冻土在振动荷载下三轴蠕变规律。 实验，探讨了冻土的动弹模、动泊桑比、 徐学燕( 1 9 9 8 2 0 0 4 ) m 删行大量动三轴 动剪模、动阻尼比与冻土温度、振动频 率等参数的关系，并对冻土场地的地震动特性进行了大量的研究工作。何平、程 国栋等( 1 9 9 8 ) 陆通过理论分析和推导提出冻土粘弹塑损伤耦合本构理论。盛煌 等( 2 0 0 2 ) 啼2 1 探讨了利用超声波速度测试技术接测试冻土的动力学弹性参数的方 法。赵淑萍等( 2 0 0 2 ) 啼3 1 的冻结砂土在动荷载下的蠕变特征研究得到了最大加载 应力、温度及加载频率对冻土蠕变破坏应变、破坏时间和最小蠕变速率的影响规 律。王兰民等( 2 0 0 3 ) 喳4 蚓利用三轴实验研究了地温对冻土动力学参数的影响，研 究结果表明，地温对冻土的动本构关系、动弹性模量、动阻尼比等动力学参数均 有显著影响，并发现冻土场地地震动参数在o 一5 水一冰剧烈相变区有显著变化。 吴志坚、马巍等( 2 0 0 3 ) 嘞1 利用动三轴试验研究冻结兰州黄土地震作用( 模拟 为等幅j 下弦循环荷载) 下温度和围压对冻土强度的影响，结果显示动剪强度随围 压增大、温度降低、振动次数减少情形下而增大，动内聚力和动内摩擦角均随温 度降低、振动次数减少情形下而增大。刘建坤等( 2 0 0 4 ) 刚对青海热水煤矿列车引 起的多年冻土区地面振动进行观测，获取了列车( 空载、满载) 通过时冻土地表 的加速度时程曲线，研究了地表振动的衰减规律，这为解决由于列车引起的振动 对冻土破坏问题提供了思路。和礼红等( 2 0 0 4 ) 嘲1 对粉质粘土在冻融循环作用下 的力学效应和其结构性进行研究。林德洪等( 2 0 0 5 ) 哪! 引入损伤力学，以冻土的 弹性模量为损伤因子建立冻土的损伤演化和本构模型来研究了冻土的损伤机理和 7 北京交通人学博十学何论文 变形机制。高峰等( 2 0 0 6 ) 删通过对季节和多年冻土上桥梁地震反应的分析得到 了不同场地类型中冻土性质、基础参数对桥梁地震反应的影响规律。m a 等( 2 0 0 6 ) 肺门研究了冻粘土高应变速率下冻土的动力本构关系，结果表明流动应力在某应变 速率下有阀值，应力应变幅值随应变速率加快而变大，但波动频率则降低。 z h a n g 等( 2 0 0 6 ) 2 1 以辽西的冻结风化土为试验对象，利用动三轴试验研究了 冻土的动力应变和破坏规律，将冻土的破坏进程可分为三个阶段，每个阶段表现 出不同的力学特征。q i 等( 2 0 0 6 ) 呻3 研究了季节冻土场的地面运动规律。施烨辉 等( 2 0 0 6 ) 嘲1 对青藏铁路线上高温冻的土动力学参数进行了试验研究。张照太等 ( 2 0 0 6 ) 嘲试验研究了影响冻土力学性能的因素，获得了冻土力学性能与多种影 响因素的关系，得出不同应变、加载速率下冻土力学性能变化规律，并研究了冻 土蠕变特性，获得了修正的c c 维亚洛夫蠕变方程。张淑娟、赖远明( 2 0 0 6 ) 等 呻，研究了动荷载作用下冻土温度变化及强度损失变化规律。一些学者对冻土路基 和地基破坏因素分析、冻土物理学特征等的研究中，直接或间接地论证了冻土的 动力学特征对冻土破坏有很大的影响阻7 川。 以上研究和论述表明，冻土动荷载作用下的力学行为相当复杂，一些研究结 论并不完全一致，究其因是影响冻土的动力学行为因素众多，尤其外荷作用类型 对其力学性能的影响最为重要。但是大量证据表明，交通动荷载作用下多年冻土 路基的冻土动力学性能会产生劣化。 1 2 3 冻土路基工程破坏机理和控制方法研究 1 ) 冻土路基破坏机理研究 冻土路基的破坏与冻土的破坏密切相判7 2 埘j ，而冻土的破坏与交通运动产生 的应力波( 称为移动荷载) 对冻土的动力学特性改变密不可分【8 2 踟】。理论研究和 实测观测均表明，移动车辆荷载对路基产生很大的振动和冲击作用。这种振动和 冲击具有移动性、多频率、高激振力、多自由度的振动特性，并可能出现谐振与 共振问题。冻土在这种动荷作用下，在一定条件下将极易产生破坏，表现为冻土 路基的沉陷和开裂、波浪病害、地基土局部液化、翻浆等。如大兴安岭北多年冻 土区黑北公路某段由于冻土破坏而使路基沉陷，年沉陷量达5 1c m - - 6 1c m ，大兴 安岭多年冻土区某段铁路一般年沉陷量为2 7c m - 、一4 0c m ，降水量丰富年份沉量可 达5 0c m 1 0 0c m ，哈尔滨铁路牙林线k 7 4 处年沉陷量8 6 0m m 、同最大沉陷量高 达3 0f i l m 。因为同一地区普通建筑或其他工程地基并没有如此大的年沉陷量，因此 有理由认为这种路基沉陷除与冻土层融沉有关之外，还与车辆行驶长期反复振动 作用密不可分。f i n n s ( 1 9 7 8 ) 科3 的研究还表明，多年冻土上部的融冻层动荷作用 8 1 绪论 下极易液化，这应该引起高度重视。 交通引起的环境振动作为七大环境公害之一早已为人类所重视，在交通振动 规律、产生机制、传播途径、控制方法以及对人体危害等的研究过程中，对于非 冻土场地，人类研究了一些实用的隔振控制措施。如轨道减振方面采用重型钢轨 和无缝线路、减振型扣件、弹性基础、屏障隔振等。由于交通引起的地面振动主 要引起瑞雷波，而它仅限于地面表层一个波长深度内传播。所以，按波动理论，在 固体与孔隙的界面处，波能将全部反射，故一般学者均认为最有效的隔振屏障是 在道路两侧设置隔振沟，隔振沟的深度一般取波长的0 6 1 3 倍，已有学者 8 2 - 8 3 , 8 5 , 8 7 - 9 1 l 就高速行驶列车引起的振动对环境影响做了一定研究，且提出相应隔振 措施。e e r i c h a r t 、r d w o o d s 黯j 等分别对道路隔振沟、板桩墙和填充墙等隔振措 施进行了实验研究。 西班牙、捷克等国利用大量的测试、调查和研究工作，通过对几种不同场地 土的测试结果统计，分析了列车引起的地面振动波的传播和衰减特性，并从降低 行车速度、减轻荷载重量、提高路面平整度等方面提出了减少振害的措施。瑞士 联邦铁路和比利时布鲁塞尔自由大学等都在研究新型的弹性轨枕和复合轨枕以减 小动力冲击力，并将有效地降低车辆、轨道和附近环境的振动。日本、台湾等利 用减振墙来作隔振使用，其效能与减振沟类似。试验表明，减振墙的板质、厚度 和深度对减振效果均有影响。向地层下打入柱桩，形成柱列或柱阵可以获得显著 的减振效果。对于点振源，在其周围设置由具有一定质量的隔振材料形成的阻波 区( w a v ei m p e d i n gb l o c k ) ，可以很好地隔绝振动波的扩散。 ； 台湾某高架桥系统，在桥墩的周围设置环状阻波区后，环外地层的振动强度 下降了5 1 5 d b 。台湾南科高速铁路减振工程中采用了基础加劲减振装置和弹性减 振墙减振机制来减轻高速铁路引起的振动对地基土的损伤和环境的影响，效果明 显。日本学者竹宫宏和自1 9 9 0 年以来一直研究波阻板法减轻交通荷载对土体作用， 取得了系列良好成果。我国学者在这方面也有一些研究，如高广运的弹性地基板 和排桩联合屏障隔振。吴世明的粉煤灰单排、双排桩和地下连续墙的隔振对比试 验等。 以上学者研究的减振和隔振措施主要解决交通荷载振动环境损害问题，当然 这些方法也在一定程度上减轻了路基交通荷载作用下的破坏作用。但这两类方法 是否适合多年冻土地区路基交通荷载下的破坏效应是值得探讨，尤其对于上有融 化层的多年冻土的局部液化控制问题。因为，对于隔振沟和桩基隔振法，路基开 挖和桩对冻土的扰动易导致冻土破坏；路基下设置波阻板对地下水、冻土的温度、 含水量、含冰量等都有显著影响。 2 ) 冻土路基破坏控制技术 9 北京交通人学博十学位论文 我国学者对冻土路基的保护多采用保温法、抛碎石片石护坡法、通风管法、一 遮阳棚法、硅藻土护坡等方法，这些方法目的是为了确保冻土路基的地温的恒定， 防止温度升高对冻土的损伤。2 0 0 2 年，刘奉喜等也丌始研究多年冻土区铁路隔振 沟隔振方法。这些方法在一定程度上减轻了冻土路基的破坏，但是这些仅仅考虑 温度平衡控制理念的方法是否能减轻应力作用过程中冻土的动力性能改变而导致 的冻土的破坏过程( 如交通荷载下的液化问题、震陷等) 值得进一步研究。冻土 路基振动的控制技术还需做更多的工作。 移动随机荷载作用的下冻土路基破坏机理和控制技术的研究属于冻土动力学 研究范畴，在冻土力学领域是全新的课题。以加筋土结构和理论等工程控制为主 要目的的研究为国内外学者广泛注意。 1 2 4 加筋土结构理论和工程控制技术研究 加筋土是由一层或多层水平加筋材料与填土交替铺设而形成的一种复合体， 已被广泛应用于铁路、公路、水利、港口、城建等领域。常见的加筋土结构包括 加筋土挡墙、加筋土桥台、加筋土堤坝、加筋土边坡和加筋土围堰等。 加筋土技术在土木工程中的应用已有数千年的历史。最初采用的加筋体仅局 限于天然材料，如竹片、麻杆等1 9 引。法国工程师亨利维达尔( h e n r i v i d a l ) 根 据三轴试验结果提出了现代加筋土概念和设计理论，并且在法国普拉聂尔斯 ( p r a g e r e s ) 成功修建了世界上第一座加筋土公路挡土墙( v i d a l ，1 9 6 6 ) 。在2 0 世 纪8 0 年代中后期，加筋土技术无论是在理论研究还是在生产实践上都得到了飞速 发展。土工网、土工稚、土工格栅等人工合成材料的相继问世，进一步加快了土 工加筋技术的发展，并且这种新型材料j 下逐渐取代传统的加筋材料。 随着加筋土工程的大量兴建，相应的研究在国内外得到了大力发展。土工合 成材料的生产和应用正逐渐成为一门新兴的边缘性学科，有关学术活动也在不断 扩大和深入。自1 9 7 7 年以来，已先后召开了六届国际土工织物学术会议。在国内， 土工合成材料的应用和研究较晚，但发展较快。自1 9 8 6 年以来，也已先后召开了 五届土工合成材料学术会议。水利、铁路、交通等部门已制定了相应的行业标准 或规范。据记载，截止1 9 9 5 年，我国已实施的采用土工织物的各类工程( 包括加 固、排水、反滤、隔离、软基处理等) 达一万余项。 尽管土工合成材料已引起国内外岩土工程界人士的极大关注，但人们对加筋 土的研究很多还处于原始资料的积累和现象的描述上，并未上升到