（岩土工程专业论文）牙林线多年冻土路基病害整治措施模拟分析.pdf

摘要 多年冻土地区筑路，改变了原来天然地表与外界的热交换关系，冻土区路 基人为上限的变化是自然的温度场、水分场和地质情况与人为因素综合作用的 结果，通常由于人为活动造成的地表植被的破坏、全球气候转暖和地表、地下 水的影响，导致了进入路基体中的热量增加，引起了多年冻土地区既有路基发 生融化下沉，从而影响了既有路基的正常使用，甚至导致列车无法正常运行。 本文以牙林线多年冻土地区既有路基为研究对象，运用有限元分析方法， 采用了不同的主动保护多年冻土措施进行组合，得出未来5 0 年路基面以下温 度场随时问的变化。通过对不同措施组合计算结果和多年冻土上限变化的分析 比较，得出不同措施组合对保护多年冻土的近期、中期和长期效果，以达到为 今后多年冻土地区路基融沉病害整治提供理论指导。 通过对计算结果的分析可知，采用保护措施以后的既有路基，在很大程度 上改变了路基下温度场的热平衡状况，有效的保护了其下多年冻土，使得多年 冻土上限的位置始终保持在一个较高的位置，防止了因多年冻土退化而带来的 路基融沉病害。 关键词：多年冻上；路基温度场：保温材料；热棒；遮阳板；片石护道 a h ho 。rau h 只 ( 却o h t e 蚜b o 且o p o r hh a 舢o m e p 3 p b r p y m a xh 3 m e h e h 肼o ”o b h e 他彻0 0 6 m e l i a m e 砌ye c t e c t b e h 肿曲n o 阱p x h o h洲o c 如p o 茴， h 3 m e h e 咖e b 印x h o 苴 r p a h h 叫 删h o m e p 3 p o m。p y h t ab3 e 眦朋o m 肿肿瑚eh 3b 圳m o 且e 豇鲫丑 t e m n e p a l y i 埘， b q 耳b i 嘲豇c t b 蹦hq e o b e 鼢兀o 哪! op a 3 p y 山e 叫e 肿b e p x h o 啪曲p a 砌1 e b h o c t h o t 删1 加。h o tq e 丌。脯k a t e l i j i ak 删札脚m 聃印x h o c t h m xhn o 胎m h 娘b o 且a ) 【， o m m yy c 衄e h h et e 肌a b3 e m 舢o en 彻删oh觚h 删m e n 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区原本就很脆弱的生态环境产生一系列的变化。工程活动中，不可避免地要开 挖地表、铲除植被、修筑路堤、改变天然地表的性状等，均可产生强烈的热侵 蚀作用，改变土体与大气的热交换条件从而使得地气相互作用的产物冻 土温度场发生变化，导致多年冻土区的冰( 水) 热等平衡状态发生变化加剧 或引起更多的冻土环境恶化现象。 冻土区的路基是一条新冷生结构物，它紧密地依存于天然土层，并共同接 受太阳辐射能对其表面影响和地层中温度的影响。由于路基具有一定的几何断 面，与天然地层相比，填土、开挖或设防的结果，又改变了路基土体的限制， 因而其冻融过程和温度场与天然地层有着明显的区别，形成了独特的水热变化 特征。在评价多年冻土地区路基的稳定性时，首先要评价其热稳定性，即任何 第一章绪论 一种冻土的热状况对外界条件变化响应的敏感程度；其次要评价路基的冻融变 形特征。 路基的热稳定取决于表面吸热条件( 太阳辐射、环境温度、路面条件) 、侧 向散热条件和冻结层上水。同时，土中水分含量、状态、补给方式等对路基及 周围土体温度场的稳定性有着直接影响。研究冻土区路基的热稳定性问题的关 键是研究冻土路基温度场的变化和含水量状态。冻土路基温度场对路基稳定性 的影响主要体现在冻土上限的变化和冻土区路基的弱化情况。冻土区路基人为 上限的变化是自然的温度场、水分场和地质情况与人为因素综合作用的结果， 与冻土温度边界条件以及该地区的水文地质情况、路基路面状况紧密相关，它 不仅受冻土温度、冻土类型等原生冻土条件的影响，而且受局部热源和其它人 类工程活动的影响，这对选择冻土区路基的设计原则具有十分重要的意义。根 据现有的研究成果分析，暖季侵入路基的地表水和路基及周围土体的冻结层上 水作为热载体，在导热、对流机制的作用下将与冻结面进行强烈的热交换，从 而导致冻结面的迅速下降，进而增加冻土活动层厚度，加大了土层发生冻胀和 融沉变形量。土层的弱化现象主要表现为发生热融病害，在路基下土层中形成 融化盘或常年不冻的融化核，这将对路基的稳定性产生严重影响。 综合上述分析，在冻土工程问题的研究中，关键问题是要解决如何减小冻 土的温度场因人为活动、修筑和改造路基工程及气温变暖所带来的不利影响， 在保护土体温度场相对稳定的同时，也要解决好土体水分变化所带来的路基融 沉和冻胀变形，弄清冻害变形的规律以及如何采用工程措施维护路基工程的整 体稳定性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外研究进展 冻土热稳定性的破坏将直接导致路基工程发生冻害变形，严重地影响路基 2 第一章绪论 的稳定性，对今后的运营将产生极大的隐患。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。而冻土的融沉特性是冻土最为特殊的工程性质，也是导致 多年冻土地区路基变形的最主要因素。世界上的冻土工程问题主要出现在美 国、前苏联、加拿大以及我国的西部的青藏高原和东北等地区，在国内外的冻 土工程研究工作中，前苏联由于其冻土分布面积较广，冻土区修筑的路基工程 较多，所以其研究工作进行较早，研究理论也较为全面，同时由于我国的西北 部地区和东北大兴安岭地区均与前苏联接壤，冻土工程条件有些也较为相似， 所以他们的许多研究成果对我国现今冻土工程领域的相关研究工作具有一定 的借鉴意义。随着我国近3 0 年来在冻土区修筑的工程越来越多，所遇到的冻 土工程问题也越来越复杂多样，特别是已建的冻土工程，如青减公路、大兴安 岭林区铁路等在建成完工后的运营过程中都出现了不同程度的冻害现象，在这 些地区的病害治理过程中为今后或正在建设中的冻土工程提供相对可靠的设 计依据，这些对我国的研究工作也提出了新的要求。我国的科技工作者在近 3 0 年来在冻土工程领域进行了大量的研究工作，并取得了一系列的研究成果， 为我国的冻土工程整治和在建工程作出了巨大的贡献。 7 0 年代初期，前苏联铁路运输研究院斯科沃诺冻土研究试验室在西伯利 亚用乱毛石和大块碎屑石填筑了高度超过1 5 米的路堤，对路堤基底土温度的 温度状况进行了研究。对此，我国也进行了相关的研究，在黑龙江西北部苔草 泥炭沼泽区用乱毛石和大块碎屑石填筑了高度为3 2 米的路堤，并在路堤中设 置了测温管，并进行了系统的温度测量。双方的研究结果都表明，用乱毛石和 大块碎屑石填筑的路堤堤身温度状态，不仅是靠接触热传递，而且主要是靠有 效空隙空间升降的气流引起的对流来传递。冬季，由于大气的降温，堤身外面 较冷的空气自由渗入基底，促使下部土体急剧冷却，而在夏季，由于气温升高， 此时的气体密度小于路堤堤身中或基底土层中的气体密度，热空气不能自由下 第一章绪论 渗，这时只有通过路堤土体的接触传导将热量传入路基土体中，若排除由于雨 水下渗造携带的热量，靠这种传热方式渗向土体中的热量是较小的。这种用乱 毛石和大块碎屑石修筑的路堤，能有效的阻隔夏季气温升高对基底土层的影 响，在冬季能加速基底土层的回冻，对冻土路基温度场的稳定起到了积极的效 果。 前苏联的加别耶夫等人在后贝加尔铁路通过利用蓄冷装置热虹吸管 配以空气热交换器和土热交换器组合安装使用，来加固路基的冻土层，这种装 置便于安装和运送，当热虹吸管和空气及土层接触的两部分之间产生负温度差 时，通过埋在地下的传热带蒸发的传热介质流动并在地面上冷凝，直到两者的 温差减小到零为止，这种作用主要发生在春季、秋季及冬季，这时热量由地下 向地上散发，由于作为传热介质的蒸汽是利用重力进行流动及利用毛细管和重 力使液相介质返回蒸发带，故热阻并不大，在白天和夜晚存在温差时，也会发 挥其冷却效果，在逆向传热的夏季( 白天) 温差方向改变时，管内的蒸汽流动显 著减小，降低了管体的导热性造成的影响，在夜间当温度回落，其冷却性能又 能得到充分的发挥。这种措旌能大大降低路基土层的热储作用，减小地表热量 的下渗和在土层中滞留时间，加快路基基底土体负温度场的恢复。 前苏联贝一阿铁路局线路调查站通过对该铁路冻害变形多发地段进行的长 期观测发现，路基的融沉变形主要是因为路基所经凹陷路段冻结的层，在积 水渗漏的作用下融化，以及路堤本身的热效应对底层冻土层的热作用造成的， 为阻止冻土层的进一步融化，针对每种情况都应采取相应的解决方案，应降低 底层士体的温度或是保证路基地表水和地下水的捧泄通畅。为此，前苏联中央 运输工程科研院采用在发生沉陷路堤的边坡上修筑一层o 5 m 以上厚度的碎乱 石，构成路堤两侧的护坡，在实际的工程运用中取得了良好的效果，是一种有 效的防治路基发生融沉变形的整治措施。 在我国，崔建恒、程洪哲等人以已经建成多年的青藏公路路基工程为研究 4 第一章绪论 对象，经过多年的研究发现，我国青藏高原冻土区路基工程中的融沉变形主要 有四种形态：( 1 ) 大波浪状融沉，下沉幅度从几厘米到6 0 c m 以上，并有加剧的 趋势；( 2 ) 道路反拱状融沉，表现为连续的路面凹槽，长度由十几米到几百米， 甚至成公里延续；( 3 ) 路肩滑塌，多发生在排水不畅的地段；( 4 ) 整体融沉。融 沉变形的发展趋势总的来说有两种不同的走向：( 1 ) 从路基热稳定的角度看， 多年冻土上限深而含冰量较少的路段有稳定的趋势。这是因为：一方面路基下 人为上限较天然上限深，侧向散热系数增大，有利于形成垂直热流平衡：另一 方面，低含冰量冻土融沉系数小，相对沉降量也不大。这种路段，今后水的影 响将占主导地位。( 2 ) 多年冻土上限较浅而含冰量较大的路段，由于侧向散热 系数小，加上水的影响，路基融沉有加剧的趋势，并将持续较长时期。 朱元林、吴紫汪等在1 9 8 卜1 9 8 2 年的研究中分别指出，影响冻土融沉的因 素不只是土体的温度状况，还与土层的含水量、路基土体及路堤填料的干容重、 冻土层的颗粒成分( 即冻土层中粉粘粒含量的多少) 等因素有着密切的关系。 许东洲等人在对路基的融沉变形进行了全面的分析后，总结出了在路基的 融沉整治方面应从几个方面着手进行：( 1 ) 改善路面吸热条件，减少热量输入； ( 2 ) 增加垂直热阻或减少垂直热流；( 3 ) 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的改善；( 4 ) 提高路堤高度，降低垂直地温梯度；( 5 ) 加强 地面排水，疏干冻结层上水。 美国、加拿大以及前苏联在2 0 世纪5 0 年代就己经着手进行研究采用盐来 消除或减小土体冻胀。从1 9 6 0 年开始，前苏联运输建筑科学研究所新西伯利 亚分所与新西伯利亚铁路运输工程学院联合研究在不破坏土层天然结构的前 提下，采用食盐溶液而不是用撒盐粉的盐渍化方法来防止路基土体的冻胀，这 种方法主要用来防止路堑土体冻胀。他们的研究表明，当盐分浓度控制在一定 范围内时，土体的冻胀变形得到了缀好的控制，而且盐渍化不会改变土体的工 程性质，对于弧粘土或粘土，土层的压缩性甚至有所减小，抗剪强度有所增加。 5 第一章绪论 同时，加拿大及前苏联都研究过采用铺设保温材料来防止土体的冻胀变 形，通常所选用的保温材料包括铺设腐植土层、泡沫塑料板、水泥土层、石灰 土层等，这些工程措施在实际工程中都取得了良好的效果。 我国科技工作者至2 0 世纪7 0 年中期以来，为配合工程建设的需要，以探 索土冻胀基本规律为目标的室内试验研究工作迅速开展，与此同时，开展了现 场路基或土工建筑物实体工程冻胀的观测研究。通过我国冰川冻土研究所、铁 道部西北研究所、青海省勘察设计研究院等多家单位的试验研究发现，影响土 体冻胀的因素是复杂的，其中主要有以下几个方面：( 1 ) 冻土层的深度，冻胀 沿深度的分布呈现一定的规律性，通常在活动层的上l 3 2 3 深度范围内的土 层产生的冻胀量约占了全部土层冻胀量的9 0 ；( 2 ) 冻土层的颗粒成分，即冻 土层中粉粘粒含量的多少；( 3 ) 超载对土的冻胀有抑制的作用；( 4 ) 土层的水分 状况，即土中的含水量大小；( 5 ) 冰冻条件，包括冻结速率和温度梯度两方面 的影响。 综上所述，提高路基工程稳定性的措施分为两大类，一类是主动型防护措 施，即向路基土体中注入一定冷量，增大路基土体的冷储备，或者是减小流入 路基本体的热最；另一类是被动型防护措施，使其被阻挡在土体的某一部位， 或削弱其流入路基土体的热量。 目前，典型的主动型防护措施是用热棒降低土体某一部位的温度，增加整 个土体的冷储量，使之热稳定性加强，或者是采用遮阳结构形式，使太阳辐射 不能直接影响路基土体表面温度，大幅度来改变冻土的生存和发育条件，使路 基热稳定性提高。 被动型防护措施包括人为地加大路基高度，或在路基体内某一位置处设置 保温层，增大土体内的热阻，减少传入土体内的热流。其中效果较好的是采取 通风路堤，包括片石通风路堤或运风管路堤等形式，其次是铺设保温材料。 1 热棒保护多年冻土路基 6 第一章绪论 热棒是一种气液两相对流循环的热导系统。它实际上是一根密封的管，里 面充有工质，如：氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等。管的上端是冷凝器，有散 热片组成，下端为蒸发器，中间为绝热段。当冷凝器的温度低于蒸发器的温度 时，蒸发器中的液体工质吸收热量蒸发成气体工质，在压差作用下蒸气上升至 冷凝器，放出汽化潜热，同时蒸气工质遇冷冷凝成液体。在重力作用下液体沿 管壁回流至蒸发器再蒸发。如此往复循环，将热量传出而吸收冷量。当蒸发器 的温度低于冷凝器的温度时，对流循环停止。因此，热棒可以将冷量传递储存 于地下，又可阻止热量向下传递，是一种可控热量传递的高效热导装置。热棒 在处理多年冻土地基的稳定性方面有很好的应用价值，它不但可降低土体的温 度，提高冻土地基的承载力，而且可有效地防止地基融化下沉。 图1 1 热棒冷却冻土路基示意图 1 、原冻土上限；2 、热棒应用后冻土上限 2 遮阳结构保护多年冻土路基 遮阳结构包括遮阳板和遮阳棚等，可以大量地减少太阳对路慕工程的有效 辐射，降低其温度，如在遮阳结构外面涂上具有高反射性能的涂料，效果会更 加。同时，又可以防止夏季降水渗入路基或冬季降雪覆盖路面，是防止冻土退 化，增加公路与铁路运力和使用寿命的有效措施。 中铁西北科学院于2 0 0 0 年7 月在青藏高原风火山地区修筑了有遮阳棚的 实验路基，并开始了连续观测。青藏高原现场试验研究结果表明，在遮阳结构 7 第一章绪论 内地面平均温度比遮阳结构外低很多，这意味着冻土上限会上升。 图1 2 路基边坡处的遮阳板 3 保温材料 用保温材料保护冻土，即在修筑路基时加铺一层保温材料，用保温材料的 低热传导性阻止上部热量进入下部土层，从而起到保护冻土的作用。早在5 0 年代挪威等国家就已开始尝试采用树皮等作为冻土路基的隔热材料，7 0 年代 起，前苏联、日本、美国、加拿大等国开始在多年冻土区筑路，地表热交换条 件的改变所引起的路基内的热积累会导致多年冻土上限得下降，当铺设保温材 料后，则可保持多年冻土上限一定的稳定性。但这种热阻效应在阻止上部热量 向下传输的同时，也阻止了寒冷季节多年冻土向外部的散热，它可以改变进入 多年冻土的热周转量，但不能改善进出多年冻土热平衡的趋势。筑路后路基内 通常呈热积累发展趋势，因此保温材料层的效果也只是减弱热积累的发展，而 不能彻底扭转这种热积累的发展趋势。对于多年冻土，保温材料或许可以维持 多年冻土上限在使用期内的稳定性，而对于高温多年冻土，熟积累几乎完全用 于多年冻土的融化，即使是少量的热积累也可能使多年冻土发生逐年的融化， 因此，高温多年冻土区保温材料只能起减缓多年冻土融化速率的作用。 为了更好的发挥保温材料保护高温多年冻土路基的稳定性，避免保温材料 的缺点，可假设研制一种变导热性能结构的材料，即：在吸热过程中，它具有 绝热材料的性能，从而阻止热量向下部多年冻土传输，而在寒季回冻季节，它 具有导热材料的特点，能够使冷量迅速传递到路基体以下，使其下部热量充分 8 第一章绪论 向上部释放。 图1 3 保温材料现场施工图 4 片石或碎石通风结构 片石或碎石通风结构包括片石或碎石通风路堤、片石或碎石护坡路堤和片 石或碎石护道路堤，是保护多年冻土路基工程的有效方法。 据有关资料介绍，块石层在寒冷季节的当量导热系数是温暖季节的5 1 0 倍甚至更多，因此，块石层可有效地提高路基下地基的储冷量，对多年冻土地 基进行养护，效果明显优于导热系数不随温度变化的各类保温材料。块石由于 其空隙大，空气可在其中自由流动或受追流动，当温暖季节表面受热后，热空 气上升，块石中仍能维持较低温度。块石中的对流换热向上，因此传入地基中 的热量较少，寒冷季节时冷空气沿孔隙下渗，对流挟热向下，较多的冷量可传 入地基中，所以，综含效果是冷量传入大于热量输入。另一方面，块石体内以 其较大的孔隙和较强的自由对流，使得冬夏冷热空气由于密度等差异，而不断 发生冷量交换和热量屏蔽，其结果是有利于保护多年冻土，维持冻土上限的热 平衡，保护路基下冻土上限位置不变或使其上升。 5 通风管路基 通风管路基是一种积极保护冻土的工程措施，其工作原理是在寒冷季节， 冷空气有较大的密度，在自重和风的作用下，将埋置于路基土体通风管中的热 空气挤出，并不断将周围土体中的热量带走，达到保护地基土冻结状态的目的。 9 第一章绪论 通风管路基的实际应用效果，日前正处于试验研究阶段。据室内模型试验研究 结果表明，设有通风管路基模型体的负温度场的发展快得多，路基全断面土体 能够迅速冻结，不会影响下部地基土体的热状况，、甚至能引起进一步的冻结， 可以说通风管路基是一种有效的保护多年冻土的工程措施。 图1 4 通风管路基构造示意图 其次，还有土工合成材料对保护多年冻土也有一定的积极作用。 经过现场实际考察发现，山区多年冻土地区，横向通过铁路路基的水分迁 移也是造成多年冻土路基下沉的重要原因。具有明显下沉的路基地段，多有水 分从上游向下游迁移，水分迁移将带走路基中的热量造成路基下沉。因此，阻 止路基中水分迁移也是保护多年冻土的重要手段。目前常用的防治地表水及地 下水迁移的方法主要有截水沟、挡水埝和挡水板等。 图1 5 挡水板施工图 1 2 2 存在的主要问题 目前，我国在冻土路基的温度场保护，以及冻胀和融沉变形的特征分析方 第一章绪论 面积累了丰富的经验，同时也取得了显著的成果，无论在冻土基本理论、规律 及其在工程中的应用诸方面都取得了令人鼓舞的进展，并在不断的探索新的研 究途径、新方法。尽管如此，现有的研究有些过于偏向于热力学方面的分析和 研究，对实际工程的指导意义不大，对正在修筑的实际路基工程而言，要对其 设计施工提供可靠的资料，要能指导已建工程的冻害整治，现有的研究成果在 其深度和针对性上尚有一定的差距。 i p c e 在2 0 0 1 年发布的预溺称，“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 ”。因此，多年冻土地区的道路工程将面临着严峻的挑战。目前， 采用保护多年冻土路基最常用的方法主要有单纯的抬高路堤高度，或在路堤中 铺设保温材料等。长期的实践表明，在低温冻土区，抬高路堤高度或铺设保温 材料均可有效的保护多年冻土，即使多年冻土上限抬升。但是，在高温多年冻 土区，抬高路堤不但不能使冻土上限上升，反而形成融化盘，若过高的抬高路 堤，由于吸热面的增大和阴阳坡的作用，又会造成融化盘的不对称，进而导致 路基的不均匀沉降。若铺设保温材料，则由于它即可在夏季阻挡上部热量传入， 但在冬季又可阻挡上部冷量传入和下部的热量传出，长时间的运行会在路基中 形成热量累积，致使多年冻土上限下降。可以说，抬高路堤高度或铺设保温材 料保护冻土路基均是被动消极的方法，不足以或不可能完全消除冻土路基的融 化下沉，尤其在全球气温升高的大趋势下更是如此。 过去研究很多是针对冻土路基的热力学特征、水分迁移规律等进行的，但 对于这些特征所导致的路基整体稳定性影响的研究相对较少，研究深度对于指 导今后冻土路基的建设尚存在不足。本文则是针对路基温度场特征、水分状况、 各种保护多年冻土措施的各项特征对路基的稳定性影响进行评价。 1 3 选题依据 青藏铁路是沟通西藏和内地联系的重要交通要道，对完善综合运输体系， 第一章绪论 强化进藏通道具有极其重要的政治、军事、经济及路网意义。青藏铁路的修建 又是集高原、冻士、环保三大课题于一身的，并具有重大科研价值的巨大工程。 为了把青藏铁路修建成世界一流的铁路，解决好高原冻士的技术难题，铁道部 下达了既有东北铁路多年冻土区路基病害整治的试验研究课题，有选择地 对牙林、嫩林线数处路基、涵洞病害进行工程整治，同时对它们进行数年的观 测研究，并结合青藏线所采用的相应工程措施，进一步研究多年冻土地区的筑 路技术和运营养护经验。 l - 4 研究内容及研究方法 要解决多年冻土区路基工程的安全运营问题，关键是要保证地基多年冻土 的稳定性，如何防止因为人为活动和由于全球气候变暖所带来的多年冻土冻结 上限下降，路基发生冻害等一系列的工程问题，是当前国内外冻土工程研究的 核心问题。 本论文以东北大兴安岭多年冻土区牙林线路基试验点的气象、水文、地质 以及病害整治措施为依据。运用伴有相变的热传导方程的有限元数值解法，对 分剐采用热棒、保温材料、遮阳板、片石护道、挡水板、截水沟等措施的不同 组合进行数值模拟。 通过数值计算结果，来确定采用不同保护多年冻土措施后，路基热状况在 未来5 0 年内的变化趋势，进而来讨论不同组合措施的效果。为青藏铁路以及 大兴安岭多年冻土区的路基融沉病害整治提供理论方面的依据和参考。 第二章牙林线的气候及工程地质条件 第二章牙林线的气候及工程地质条件 2 1 牙林线的气候特征 2 1 1 牙林线的气候 大兴安岭多年冻土地区属亚寒带大陆性气侯，冬季严寒漫长，负温期持续 七个月，夏季短暂。牙林线属寒温带湿润型森林气候，具有大陆性季风气候， 寒泠湿润，冬长无夏，春秋相连，无霜期短，昼夜温差大，日照充足，据根河 气象站资料，年平均气温为一5 一6 。年最高气温为3 1 一3 6 ，最低气温 为一4 6 一一4 9 ，嫩林线年平均气温为一0 5 一3 2 ，最高气温为3 7 左右， 最低气温为一4 3 左右，年平均降水量8 6 9 8 0 m ，牙林线、嫩林线地震基本烈 度小于六度，最大冻结深度为：2 8 m o 0 9 m ，最大季节融化深度为1 3 m 。 据大兴安岭地区各气象站观测记录，整个该地区都有增温趋势，但程度有 所不同，大片连续多年冻土区的增温较岛状融区多年冻土区强烈。这是大兴安 岭北部大片连续多年冻土退化加速的主要原因之一。 2 1 2 气温交化对冻土区地温场的影响 多年冻土是气候作用的产物，它的发展、稳定和退化过程，既依赖于目前 正在发生的气候变化过程，也取决于历史上所历经的气候条件。气候转暖无疑 将对冻土区的地温产生根本性的影响，这种影响滞后于气温的变化，而且随着 深度的增加，滞后期将越长，地温的变化幅度也越小。不同周期气温波动的影 响深度和幅度各不相同。冻土工程地质特征的变化是多种自然因素和人类工程 活动等内外因素共同作用的结果。外部因素包括气候、植被、水文、地貌以及 人类活动等，内部有岩土性质、结构、地温、地下水状态及活动特征等因素。 在这些因素中，地温的作用是最重要的，其它因素仅仅影响地温变化或是地温 变化的结果。气温变化导致的冻土区地温的变化，导致了多年冻土工程她质条 件的变化，而这些变化将对路基的稳定性产生根本的影响。 第二章牙# 线的气候及工程地质条件 近几十年来，由于气温升高导致地温的升高从而引起多年冻土发生退化现 象，多年冻土平面分布面积呈逐年减小的趋势，在自然和人为等综合因素影响 下，冻土吸收了较多的热量，其本身成分、组构、性质、状态、特征发生不利 冻土保存的变化，乃至彻底融化，变为季节冻土，这实质上是热量交换导致冻 土吸收热量，最终使地温升高。 综合起来，气温对冻土地温场及路基稳定性的影响主要为以下两方面： ( 1 ) 年平均气温是多年冻土存在的能量条件，随着年平均气温的变化，冻 土地温随着发生变化。而这种变化极大的影响了铁路及公路路基的稳定性。未 来气温如果持续升高，路基基底冻土地温场在一定增温幅度下将迅速向着不利 于路基稳定的方向发展。 ( 2 ) 冬季气温的升高使区域冻结能力减弱，冻结指数和融化指数差距减 小，将使冻土受到干扰后恢复原来热平衡的能力减弱。 2 2 牙林线工程地质条件 不同地理区域的自然条件组合，形成了不同特征的工程地质条件，这不仅 决定着多年冻土温度、厚度的地域分布规律，同时也制约着不同地理区域多年 冻土历史演化过程。也就是说，不同工程地质特性的冻土，对于气候变化而表 现出的冻土稳定性及其响应程度是不同的。 该试验地区地处大兴安岭北坡，随着数十年来全球气侯的变化，该多年冻 土区的气候和其他环境条件都相应发生了变化，多年冻士的工程地质条件也发 生了很大变化，对这些变化的深入分析和研究对于了解其对路基的修筑和运营 条件的影响，进而提出应对措旌，对保证线路工程的正常运营有着重要的现实 意义。 2 2 1 牙林线的自然地理特征 该地区的多年冻土，受气候变暖影响较大，它是气候和地质地理因素综合 1 4 第二章芽林线的气候及工程地质条件 作用的产物。不同周期的气候波动是多年冻土发生、发展及历史演变的动力， 而其它地质、地理因素在不同区域的组合，则决定着多年冻土发生、发展的地 域差别及其冻土演变程度的空间分布规律。该试验多年冻土地区，属高纬度大 陆性气候，受西伯利亚寒流及蒙古高压气流影响，本地区气候严寒，冬季特长， 夏季极短的特点。这一特殊的自然条件是多年冻土存在和发展的重要因素。 2 2 2 牙林线的工程地质条件 试验段位于大兴安蛉西北坡，属低山丘陵区，山峦起伏，山顶成浑圆状， 外貌为平缓起伏地形，植被发育，次生林茂盛，局部山顶基岩裸露，风化严重， 岩石呈碎块状、块状，山坡残坡积物覆盖较薄，第四系沟谷宽阔发育，谷宽 1 0 0 0 米左右，谷内生长塔头草，雨季为沼泽湿趣。试验区段位于一个由山地 环绕的山问凹地( 第四系沟谷) 西南侧地带，纵观地形变化，西南高，东北低， 从东南往西北微倾斜，凹地中堆积了厚薄不一的第四系松散堆积物，地表杂草 丛生，塔头遍布。热融湖塘较发育，部分为季节性积水，凹地中心为沼泽湿地， 在沟谷西部边缘有一条蜿蜒曲折的库得尔河，属海拉尔河支流，由东向西径流。 本段揭露地层岩性为第四纪泥炭，泥炭质粉质粘土、粉质粘土、角砾土、淤泥 质粉质粘土，既有路堤为人工填筑角砾土。 2 2 3 试验段冻土工程不良地质现象 热融湖塘：由自然或人为因素引起季节融化深度加大，导致地下冰或多年 冻土层发生局部融化，地表土层随之沉陷而形成热融沉陷，积水后形成湖塘称 为热融湖塘。热融湖塘会引起路基的不均匀冻胀和沉陷及边坡陷裂等问题，同 时湖塘积水容易引起路基湿软，加剧冻胀和沉陷。本地区的热融湖塘主要由早 期修建铁路时，路堤两侧开挖取土形成的热溶湖塘或地下水冰体融化后形成的 积水洼地，产生热能传递，使热融湖塘附近冻土上限下移。从钻孔资料表明， 湖塘附近的多年冻土上限较其附近有明显的下降。 地下冰：在多年冻土地区天然上限附近往往存在着一层冰，其厚度不一， 第= 章牙林线的气候及工程地质条件 由几厘米至几米。这种层状冰多为地下水下渗转移到冻结锋面上逐渐形成的。 至于埋藏较深的地下冰，其成因在学术界尚有争议，总之这种地下冰的存在对 工程影响很大，常见的地下冰有楔形冰和层状冰两种。楔形冰是由于地温的不 均匀变化，导致多年冻土中发生上大下小的裂隙，裂隙中聚水后冻结形成楔形 冰。层状冰厚度从几厘米至几米平行地面呈层状存在。在大兴安岭多年冻土区， 西北部地下冰较东南部发育。牙林线地下冰有延长达几百上千米者。该地区地 下冰的厚度一般不超过3 用。在地下冰存在地段的路基将会持续下沉，对列车 运行很不安全。 2 。3 试验段的水文地质特征 冻土中水分变化以及温度梯度所诱导的水分迁移是影响冻土传热过程的 最活跃的因素。多年冻土的冻胀和融沉、厚层地下冰的形成和演变等影响路基 稳定性的冻土工程地质条件，都和水分关系密切。 该区段周边山体岩性主要为花岗岩、流纹岩等，第四系覆盖层较薄，岩石 风化强烈，裂隙发育，以接受大气降水的垂直补给，为地下水储存、补给、径 流、捧泄提供了良好的空间。 由于沟谷为第四系松散堆积物，揭露厚度2 0 4 米，由泥炭、泥炭质粉质 粘土、角砾土、淤泥质粉质粘土组成，该试验段为多年冻土，水平方向为大片 连续多年冻士，垂直构造为不衔接型的多年冻土，最大季节冻结深度3 3 米， 最大季节融化深度3 ，3 米，渗透性能、补给能力、径流均差，含水量较小。 据附近林场机井调查，井深约1 0 0 米，水位7 1 0 米，水量较大，属基岩 裂隙承压水，水质较好，对混凝土结构无腐蚀性。冻结层上空隙水主要以大气 降水垂直补给和地表水体侧向补给，局部地段以天窗的形式接受层上水补给。 由于地形坡度较小，含水层岩性颗粒较细，粘土含量较高，地下水径流缓慢， 地下水流向大致与地表水流向一致，由东向西径流，排泄于河流或区外。 1 6 第二章牙林线的气候及工程地质条件 2 4 试验场多年冻土区路基冻害特征 由于受气候变暖及工程建设活动的影响，大兴安岭多年冻土区路基工程， 将不可避免出现一系列的冻害问题，这些冻害归纳起来主要具有以下三方面的 特征。 ( 1 ) 由于气温升高、冻土区环境的破坏以及工程建设活动的影响，路基冻 土层的地温升高，导致其人为冻结上限下降，从而增大了冻土活动层的厚度。 将使路基在冬季和夏季产生的冻胀和融沉变形量增加。 ( 2 ) 冻土冻结上限的下降还会在路基下形成融化盘，地表水流的下渗，增 大了融化盘内土层的含水量，使融化盘内部分土体夏季融化冬季冻结，易使路 基产生冻胀和融沉变形，随着时间的推移，气温逐渐变暖，路基土层中的温度 也会相应有所上升，当融化盘范围内的土层积累的热量增大至一定量时，冬季 土层吸收的的冷量不足以抵消其储存的热量时，融化盘内的土层将不能冻结， 这就出现了常年不冻的融化核，随着融化核的逐渐变厚，在路基下形成了一层 软弱结构。 ( 3 ) 土体在冬季发生冻结时，由于下部路基土层中的水分向上部先冻结的 土层迁移，造成上部土体含水量较高，随着暖季的到来，上部土层先融化，而 下部未融的冻土层成为隔水层，使上部已融土层的水分不能及时捧出，处于一 种饱和状态，土体强度降低，在路基上荷载的作用下容易产生冻融翻浆冒泥、 道碴陷槽等病害。 很明显，在路基的冻害变形中，冻土层的温度和水起着关键的因素，决定 着路基的稳定与否，是控制冻土路基冻害变形的两个出发点。 1 7 第三章牙林线试验场低沮状况预报模型的建立 第三章牙林线试验场低温状况预报模型的建立 3 1 土中水融化和冻结的过程 冻土是由矿物颗粒、冰、未冻水、气体等组成的多成分和多相体系。正常 情况下，多年冻土保持常年冻结状态，只有在外因的干扰下，才会发生融化。 影响多年冻土融化的主要因素包括：气候变化、环境变化、人为活动、地形和 土的成分、含水量。 多年冻土处于常年冻结状态。但其上表层由于受到太阳辐射热年际变化的 作用，形成了寒、暖季的交替。暖季的辐射能加热地表而形成一定融化厚度， 该层旱季冻结与下伏多年冻土层衔接( 隔年层及不衔接多年冻土除外) 。多年 冻土的形成与地表面的辐射热量交换有关。与冻融有关的地表热量平衡的表 达式为：辐射平衡q d = 蒸发耗热l e + 湍流热交换p + 地表热通量a ( e 为蒸发量， l 为水分气化潜热，p 实际上是从地表进入空气的热量) 。 地表热通量( a ) 虽只占辐射平衡的1 1 1 2 ，但它是冻土层上部的土层 与气候连接的纽带，对冻土的形成和发展起主要作用。如果冬半年( a w ) 和夏 半年( a s ) 相等，多年冻土层稳定。若a w a s ，则冻土发展；若a w 0 时 h 2 ，p c 叮r 。，几( c ，。+ 耽w 矽r ( 3 6 ) 当t o h 2 门酊( r m f ；厂肌【c 矿+ o 矿一口r 4 ) e + 口r 4 c 。r ( 3 7 ) 因为警t 券詈- 肛仃) 詈 吼s ) 把式( 3 8 ) 代入( 3 2 ) 就可以得到下式： 祟：昙( a 要) + 未( a 罢) ( 3 9 ) m 孤、缸7 a v 、却 其中式( 3 9 ) 中焓h 应满足式( 3 6 ) 和( 3 7 ) 。通过计算或测定土体在 不同温度时刻土中未冻水含量，就可以由式( 3 6 ) 和( 3 7 ) 计算出土体在不 同温度时刻的焓。 3 4 3 边界条件及初始条件 3 4 3 1 上边界附面层原理的引入 冻土热过程的研究取表面温度为上边界是最普遍的方法。但是大气与土介 质接触面的温度受各种因素的综合作用变化极为复杂，尤其是工程结构物的表 面，更因设计而变化。作为工程计算的上边界条件引用附面层原理就是企图抛 弃干扰因素众多的土层面层，代之以变化稳定的附面层作为上边界，将有助于 工程热状况计算精度的提高。 土表面温度t 0 参与太阳辐射吸热，地面紊流交换以及蒸发、凝结等综合换 热过程，不能作为土层传导传热的上边界。难有下附面层底土温t d 才是真实 影响地中热状况的上边界温度。选择太阳辐射昼夜影响消失的土层深度作为下 附面层厚度，此厚度理论估算与实测值极为吻合：湿润细粒土1 5 c m ，干燥粗 粒土2 0 c m 。 蔓三兰墨苎垡蔓塑堡里塑塑堡型盟塞塞 附面层原理指出，地表面温度及附着于表面的地温高于气象站百叶箱高度 的附近低层空气温度。对于湿润细粒土及草皮升温最小，干燥粗粒土较大，沥 青混凝土路面最大。对于高纬度地区，因为太阳辐射和气温日变化、年变化幅 度最大，下附面层底对于近地层气温的增量也太。如选择太阳辐射影响消失的 土层温度作为热传导计算的温度上边界条件，则大兴安岭地区，下附面层底相 对于百叶箱气温的总增量分别为：湿润细粒土表面为2 5 ，干燥粗粒土表面 为4 0 。由于是对多年冻土退化过程模拟，根据气温变化特征将其地面年平 均温度即下附面层底的温度变化简化成如下三角函数形式： r o ) t 瓦+ g o ) + a s i n e 酝8 7 6 0 + 谚 ( 3 1 0 ) 上式中t 。为下附面层初始年平均地温。l = t a + t ，其中t a 为年平均气温， t 为附面层总温度增量，a 。为温度年振幅，由为初始相，综合文献资料，得 到附面层总温度增量取值如下表。 表3 2 附面层温度增量取值表 类型 天然地表砂砾边坡道碴路面 项目 附面层总温 2 5 3 74 o 度增量( ) 对于路基表面为砾石道碴的的路堤来讲，在a b 、b c 和c d 边上( 见图3 5 ) 取值为见上表；g ( t ) _ a t ，a 取o 0 2 a ，t 为时间：a o 为温度年振幅， 不同位置处的温度振幅取值不同。 3 4 3 2 边界条件 考虑附面层理论以及综合参考现场历史测量温度资料，本论文数值模拟的 上边界条件采用如下的公式表示： 天然地表温度： 2 8 第三章牙林线试验蟠i 沮状况瑗报模墅的建立 j r = 一2 5 9 - r o 0 2 t 3 6 5 ，屹4 + l o s i n ( 2 t 8 7 6 0 + 瓤2 ) 路基边坡温度： t = 1 2 6 + o 0 2 t 3 6 5 木2 4 + 9 3 s i n ( 2 t 8 7 6 0 + 竹2 ) 路基表面温度： t = 一1 4 6 + o 0 2 t 3 6 5 2 4 + 1 0 4 s i n ( 2 了【t 8 7 6 0 + 2 ) 片石护道下温度： ，r = 一3 11 + o 0 2 t 3 6 5 幸2 4 + 6 5 1 s i n ( 2 t 8 7 6 0 + 2 ) 遮阳板下温度： t = = 一2 6 2 + o 0 2 t 3 6 5 木2 4 + 7 5 8 s i n ( 2 t 8 7 6 0 + 丁【2 ) 路基不同位置的上边界条件温度如下图： ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 图3 7 不同条件下上边界温度变化曲线 对于模型的侧边界，施加热流密度为o 的边界条件，即； 塑。o 识 ( x ，y ) 而和万( 3 1 6 ) 式中，n 为边界面的外法线方向。 对于下表面土体温度，施加固定的温度边界条件： ( x ，y ) 砰( 3 1 7 ) 第三章牙林线试验场低温状况预报模型的建立 式中：t 。为下边界面的温度。因为在地温年变化深度以下地温变化量很小， 而东北多年冻土地区地温年变化深度一般在1 2 一1 8 m 之间，以1 4 一1 5 m 居多， 因而计算区域的底边界取2 0 m 深处，根据实测资料，该处土体温度近似取常量 一o 8 。 3 4 3 3 初始条件 由于本数值模型计算的为既有路基，因此在得到路基初始温度场时应首先 计算出未筑路前稳定的天然士体温度场，然后再在此基础上计算出路基填筑后 的稳定温度场，以此温度场作为保护措施采用前的初始温度场。其具体计算方 法为取计算区域中的边界初始温度条件，由式( 3 1 1 ) 、( 3 1 2 ) 和( 3 1 3 ) 作 为上边界条件逐时段求解式( 3 9 ) ，直到年变化层以