解决青藏铁路建设中冻土工程问题的思路与思考

围绕青藏铁路冻土工程地质、气候变化对冻土及铁路路基稳定性、生态环境变化与保护问题，分析了青藏铁路工程建设中存在的冻土工程技术问题，提出了青藏铁路建设中应对这些问题的新思路，采取积极保护多年冻土的主动冷却路基的思路和动态设计思路，并给出了青藏铁路建设中下一步应思考和研究的问题。     

青藏铁路运营期间冻土路基裂缝问题研究

运营期青藏铁路冻土区路基工程最值得关注的变化是不同部位裂缝的发生和发展以及对线路安全运行的影响.通过对不同时期青藏铁路多年冻土区路基工程裂缝发生发展影响因素的分析,认为冻土区路基工程基底地温场的不对称以及基底土体冻融过程不同步是路基工程变形裂缝发生的主要原因,路基坡脚和周围冻土水热环境变化是裂缝发展的拉动力,路基填料性质也是不容忽略的因素;根据运营期间冻土路基热状态和工程状态分析,对运营期青藏铁路冻土路基工程状态进行了初步评价,并提出了减少或消除地温场的不对称及保护路基坡脚冻土环境,从而抑制冻土路基裂缝的工程对策.     

立足科研 冻土扬威——访中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员李东庆

李东庆博士主要从事冻土及寒区道路工程和含天然气的海底软土工程特性方面的研究工作。在有关多年冻土退化，冻土工程模型试验与冻土冻融过程数值仿真、冻土路基工程应用技术等方面的研究工作中取得了创新性的成果，对多年冻土地区路基稳定性的影响因素和不同路面类型与不同路基高度对路基下多年冻土的影响程度进行了详细的模拟分析研究．     

多年冻土地区路基变形研究

本文对多年冻土地区路基开展全面调研,对路基病害进行了专项调查,全面分析了路基变形组成及其主要影响因素.通过对冻土的工程性质研究,结合多年冻土地区的环境条件,对该路基变形计算方法进行了探讨.最后,本文提出了控制多年冻土地区路基变形的工程措施.     

多年冻土块石路基蠕变变形研究

由于全球气候变化,以及大规模的寒区工程建设,打破了多年冻土地区原有的地表能量平衡,导致地温升高,冻土上限逐年下降,高温冻土层厚度不断扩大,冻土蠕变变形愈加剧烈。本文通过结合青藏铁路典型多年冻土块石路基路段特征,采用变换等效导热系数法来综合考虑块石通风区的换热性质,数值模拟多年冻土路基多年蠕变变形,进行其10年、20年和30年的温度场和变形场预测,分析其蠕变情况。     

用冷却路基的原则修建青藏铁路

青藏铁路将要穿越的多年冻土半数以上属高温冻土，有40％为高含冰量冻土。在全球转暖的情况下，青藏铁路的修建必须考虑50～100年的气候变化。最近的预测认为：至2050年青藏高原将升温2.2～2.6℃，因而，铁路成败的关键在于能否保护多年冻土使其不融化。世界上在冻土区筑路已有百处以上的历史，但报道的冻土区铁路的病害率平均在30％以上。根据国内外多年冻土区筑路的经验和教训提出，青藏铁路的设计应该改变单纯依靠增加热阻（增加路堤高度，使用保温材料）消极的保护冻土的思路，而应全面采用“冷却路基”积极的“降低地温”的原则，特别是在高温、高含冰量 地段必须如此，进一步提出了通过改变路堤的结构和材料来调控辐射，调控对流和调控传导，以达到“冷却路基”的具体措施。     

浅谈对青藏高原冻土的几点认识

青藏铁路格尔木至拉萨段全长1142公里,其间穿越多年冻土层550公里,先后攻克多年冻土隧道、桥梁、路基使用应用技术等世界性难题,创造性地采用了热棒、片石通风路基、片石通风护道、通风管路基、铺设保温板等多项设施提高冻土路基的稳定性,不少冻土工程措施填补了国内技术空白。     

冻土路基温度场有限元分析

在冻土工程领域,国内外已经展开了广泛的基础性研究,取得了丰硕的成果。对冻土路基温度场问题,目前已有理论依据和计算方法,但是,只考虑了第一类边界条件,本文利用有限元软件同时考虑了辐射、蒸发、换热等各种边界条件对冻土路基非稳态温度场进行了计算分析。根据计算结果分析,从而有力地验证了采用有限元计算方法来分析冻土路基温度场的可靠性。     

基于反演参数的多年冻土路基长期温度场预测

利用青藏铁路清水河试验段路基3 a的现场温度场及沉降监测数据,采用模拟退火算法改进的BP神经网络算法反演了冻土路基的热力学参数,并在反演参数的基础上应用有限元法模拟预测了冻土路基在不同保温处理方案下的长期温度场变化情况.结果表明:保温材料路基阴阳坡地的温度场差异小于素填土路基,多年冻土季节性活动层厚度也远低于素填土路基;保温材料路基施工后3 a内仍将发生冻融变形,形成路基病害,但破坏程度低于素填土路基;50 a后,保温材料路基将与青藏高原气候环境达到新的热平衡状态,施工对多年冻土造成的破坏可得到修复,路基稳定性良好,但素填土路基仍存在较厚的季节性活动层,这将会使路基发生严重的变形破坏;保温处理方案可较为有效地减少冻土路基的不均匀沉降.     

冻土路基温度场有限元分析

在冻土工程领域,国内外已经展开了广泛的基础性研究,取得了丰硕的成果。对冻土路基温度场问题,目前已有理论依据和计算方法,但是,只考虑了第一类边界条件,本文利用有限元软件同时考虑了辐射、蒸发、换热等各种边界条件对冻土路基非稳态温度场进行了计算分析。根据计算结果分析,从而有力地验证了采用有限元计算方法来分析冻土路基温度场的可靠性。     

Permafrost changes and engineering stability in Qinghai-Xizang Plateau

Climate change and engineering activities are the leading causes of permafrost temperature increase,active layer thickening,and ground-ice thaw,which trigger changes in the engineering stability of embankments.Based on the important research advances on permafrost changes and frozen soil engineering in Qinghai-Xizang Plateau,the changes in permafrost temperature and active layer thickness,their relationships with climate factors,the response process of engineering activities on permafrost,dynamic change of engineering stability of Qinghai-Xizang Railway,and the cooling mechanism and process of crushed-rock layers are discussed using the monitoring data of permafrost and embankment deformation.Finally,solutions to the key scientific problems of frozen soil engineering under climate change are proposed.     

Calculation theories and analysis methods of thermodynamic stability of embankment engineering in cold regions

The calculation theories and analysis methods of thermodynamic stability of embankment engineering in cold regions are systematically summarized.The engineering theories and methods taken to control frost heave and thaw settlement in seasonal frozen soil regions may not be applicable in permafrost regions.The active cooling technology of roadbed should be utilized to limit the effects caused by both climate changes and human engineering activities.The paper mainly discussed the calculation theories and analysis methods of four kinds of embankment structures,i.e.,the crushed-rock embankment,duct-ventilated embankment,thermosyphon embankment,and composite embankment.It is expected that a scientific basis could be provided for the theory,design,and application of embankment constructions in cold regions.     

Analysis on Ground Temperature Changes and Thermal Effects of Duct-Ventilated Embankment of the Qinghai-Tibet Railway

1Preface TheStatekeyproject Ge’ermu LhasaSection ofQinghai TibetRailwayhasadistanceof550km runningoncontinuouspermafrostregions.Within thispart,permafrosthasthemostsignificant impactonthestabilityoftheroadbed.Thedouble effectsofglobalwarmingandtheconstructionof therailwaywillmakethepermafrostdegrade,causingthedesigningandconstructionofthe roadbedextremelydifficult[1].Thenaturalthermal regimesofpermafrostandgroundiceareimportant factorsthatwillaffectthestabilityofroadbed.Theselectionofroad…     

多年冻土区聚苯乙烯隔热公路路基温度场数值分析

为了研究随外界环境条件改变聚苯乙烯(EPS)冻土路基温度场变化特征,运用ABAQUS有限元分析方法,对多年冻土区EPS隔热路基的温度场进行了数值模拟.计算时采用改变EPS铺设位置,模拟路面下多年冻土季节最大融深在路基修筑完工后8a内随时间的变化.通过对计算结果分析得出,在多年冻土区路基中铺设保温材料对路面下多年冻土具有明显的保护作用.当EPS铺设在路堤底部时,路堤温度场分布比较均匀,路堤内部都为正温,在EPS板下,路基温度都为负温,说明EPS有效阻止了边坡和路面传入的热量.因此,如果要修筑EPS隔热路基,应将EPS板铺设于路堤底部.     

膨胀土路基沉降的可靠度分析

针对膨胀土路基沉降的不稳定性和随机性等特点，以膨胀土的膨胀率、线收缩系数、初始含水量、工后沉降期始末的孔隙比变化量和固结度变化量、工后沉降期末的含水量等为基本变量，提出了膨胀土路基沉降的可靠度分析方法和可靠度指标的迭代计算步骤，并就具体工程实例进行了膨胀土路基沉降可靠度计算．结果表明按强度和稳定性设计原则设计的路基的工后沉降超过容许沉降的失效概率较大。     

Experimental Study on Riprap Air-Cooled Roadbed of Qinghai-Tibet Railway

The riprap air-cooled roadbed and common roadbed experimental project were designed and carried on in Qingshuihe test filed, an area of warm permafrost category with the fine frozen soil along Qinghai-Tibet Railway, to decide the temperature field of the roadbed after railway construction. Based on ground temperature variation of natural hole, left and fight shoulder＇ s hole, the maximum thawing depth, and the deformation in these two kinds of roadbed were analysed comparatively. It showed that the riprap air-cooled roadbed had better effect of lowering ground temperature, lifting the maximum frozen-thawing depth obviously and decreasing deformation than that of the common roadbed. Therefore, the riprap air-cooled roadbed was a positive frozen soil protection measure for it effectively decreased ground temperature and protected permafrost.     

水文仪器结构检测的可靠性数据分析系统研究

针对水文仪器的可靠性问题,将可靠性工程引入水文仪器的设计、生产、运行过程,以提高水文仪器系统的可靠性.通过建立可靠性指标评估模型,设计了一种基于水文仪器结构检测的可靠性数据分析系统,论述了建立该系统的数据库关键技术.通过实例,验证了该系统的可行性.     

基于响应面法的基坑支护结构稳定可靠度分析

保证基坑支护结构的稳定性是基坑工程设计与施工中的重要课题,在基坑支护结构的设计中常采用的安全系数法是未考虑到设计参数的随机性与变异性的定值设计法,而将结构可靠度理论引入到基坑工程中来,则可以定量地考虑工程中实际存在的不确定性因素,因而能够对结构的可靠性作出更为客观和合理的判断。针对一重力式基坑支护工程实例,采用响应面法计算了3种基坑稳定性验算模式的可靠指标及失稳概率,并与一次二阶矩法的计算结果进行了对比分析;在此基础之上研究了土体参数,即变异系数、均值和相关系数等对稳定可靠指标的影响,从中总结了相关有益的结论。     

基于可靠度的圆弧滑动边坡经济风险分析模型优化方法

边坡工程的设计和治理所需要考虑的成本和安全因素存在广泛的不确定性.为了使边坡工程的安全性问题和经济性问题得到较好的统一,用费用-效益分析方法,以最小总期望造价为目标函数,以坡型、坡比为设计变量,以边坡稳定性可靠度指标为主要约束条件,建立了圆弧滑动边坡的经济风险分析模型.以Bishop法为基础,利用MATLAB遗传算法工具箱实现最危险圆弧滑动的搜索.并基于可靠度编写了圆弧滑动边坡工程设计优化的MATLAB程序.通过工程实例研究,应用该方法能获得最优坡比和坡型设计方案,并且程序运算速度快、精度高,有一定的实用价值.