利用热管-保温材料复合结构提高冻土区路基稳定性研究

热管-保温材料复合路基是青藏铁路中应用广泛的一种新型路基结构形式.通过数学模型分析,推导出应用于青藏铁路冻土路基中的热管的热流表达式,并用热焓法考虑冻土相变问题,对该路基结构形式及在无保温材料情况下施工20 a后的路基温度场进行数值模拟.数值模拟表明:保温材料能够有效地阻止热量从路基面向下传入地基中,使0℃等温线始终在保温板底层;该路基结构形式为青藏铁路多年冻土区路基的理想结构形式,有利于克服全球变暖的影响.     

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。     

热棒填土路基降温效果的三维非线性有限元分析

基于热棒的工作原理,结合唐古拉山冻土区的道砟填土路基,考虑热棒材料本身的高导热性、阴阳坡、冻土相变等因素,采用有限单元法计算分析热棒对填土路基的降温效果。研究结果表明:第1年热棒运行结束后在路基阳坡下方形成直径大约为8.6 m、温度低于-0.5℃的低温区;右坡脚(阴坡)下形成直径大约为9.6 m、温度低于-0.5℃的低温区,并在低温区内热棒周围形成了温度低于-3℃的条形低温核;第3年路基下方靠近阴坡位置形成温度低于-0.8℃的低温区,热棒起到了很好的制冷效果,保证路基下伏冻土不融化,从而保证路基的稳定性。     

路基宽度对多年冻土区站场路基温度场的影响

青藏铁路路基的热稳定性受到气温升高的影响.站场路堤比普通路堤宽度大,受气温升高影响更大.以清水河站场试验点为工程背景,对站场和普通路基3个冻融周期的现场测试温度进行分析比较.参照前人对气温预测计算公式,作为青藏铁路站场路基进行热分析的边界条件,运用数值计算方法近似求解计算站场路基20 a后的热状况,同时与普通宽度的路基作比较.结果表明,站场路堤的多年冻土的人为上限比普通路堤高,最大融深比普通路堤大,说明路基的宽度是加速冻土破坏的一个重要影响因素.     

青藏铁路热棒路基结构形式及工作状态分析

热棒是一种有效的主动降温工程措施.由于施工简便,制冷效果显著,在青藏铁路多年冻土路基工程中得到广泛应用,并且可以做为多年冻土路基工程病害处理的重要措施.为研究热棒路基的应用结构形式,在青藏铁路清水河试验段和安多试验段对各种路基结构形式下热棒的工作状态进行了观测研究.研究表明,热棒在青藏高原多年冻土区使用的每年有效制冷工作时间长达7个月,冷却半径大于2.5 m.斜插方式布设热棒路基对路基体下土层的制冷效果更好,并且有利于消除由于"驼峰"效应而引起的路基纵向裂缝,是一种优于直插式热棒的路基结构形式.     

热管在青藏高原多年冻土区高速公路应用中的适用性评价

为了研究多年冻土区高速公路热管路基的制冷效果及适用范围,建立热管路基水热计算模型,分析不同条件下的热管路基冻土人为上限深度和热稳定状态,并将路基高度、年平均气温、气温年较差3个因素形成组合进行热管的适用范围分析。研究结果表明:对于气温年较差为12℃的冻土区,高度为4 m的热管路基适用于年平均气温低于-5.5℃的区域,高度为3m的热管路基适用于年平均气温低于-5.8℃的区域;对于青藏高原大部分地区,在15 a的运营期限内,高速公路热管路基具有一定的局限性,其服役期限内不能保持路基稳定性;但对于风火山地区,采用高度为3 m的热管路基可以保证工程稳定性。     

青藏公路冻土路基阴阳坡热效应研究

青藏公路多年冻土路段的阴阳坡现象会引发路基及下伏冻土地基热状况不对称分布,影响长期稳定性.为此,基于实测坡面温度数据,开展不同年平均气温和路基高度条件下冻土路基地温场分布及演化规律的模拟.结果表明,年平均气温-3℃下阴坡冻结指数约为阳坡的2倍,融化指数约为阳坡的0.83倍.路基修筑后,阴坡一侧路基下部人为上限均有一定抬升.此后,在气候变暖及沥青路面强烈吸热效应作用下,路基左右路肩下部人为上限不断下降,其中高填方路基人为上限下降速率相对较快.阴阳坡效应作用下,东西路基下部人为冻土上限呈左高右低的趋势,下伏土体温度同样为左高右低.高填方路基下伏冻土层地温分布的不对称较同期的普通填方路基显著.     

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.     

青藏铁路五道梁地区冻土片石通风路基的气冷效果分析

以青藏铁路五道梁片石路基为研究实例,分析了片石层的工作原理,并与一般路基不同位置处的地温进行了比较,认为片石路基有利于保护冻土地温.在考虑空气对流作用的前提下,对五道梁片石路基进行了地温预测,结果表明,在预测前30年还能有效地保护冻土,而50年后其人为上限出现下凹形态.     

青藏铁路多年冻土区路基温度场的模拟与预测

在多年冻土区修建铁路站场路基,打破了原来天然地表与外界的热力平衡,地下温度场将重新分布.根据此特征可推断多年冻土的发展演化趋势以及评定路基的稳定状况.结合青藏铁路某段站场路基实际监测数据,利用ANSYS软件对2002年～2030年地下温度场进行有限元数值模拟.模拟计算结果表明:路基下冻土上限发生上移,多年冻土得到了保护;在年平均气温增长0.02 ℃的条件下,试验段内冻土人为上限和未受路基影响的冻土天然上限均逐年下降;同时,路基阳坡、阴坡两侧地下温度场分布特征的差异构成了路基不均匀变形和路面裂缝的潜在威胁.     

冻土带天然气水合物稳定性研究

针对全球气候变暖的现状结合青藏高原冻土带下水合物的特点,运用水合物生成相平衡原理,预测了基于0．04℃／a升温梯度背景下的青藏高原冻土带水合物的稳定性。预测结果显示：温室效应导致的温度变化和冻土层剖面压力条件的变化会直接影响水合物的分布和稳定性,造成冻土带水合物的分解释放出大量CH4强烈温室效应气体,从而对高原环境造成直接的负面影响。     

海底冻土的自由边界问题

用Schauder估计和不动点定理讨论了以海底冻土为背景的自由边界问题，在一定条件下，得出了该自由边界问题在一维情况下经典解的全局存在唯一性．     

多年冻土地区路基纵向裂缝影响因素

根据青藏公路纵向裂缝现场勘察和形成机理分析,认为导致路基纵向裂缝的主要原因是路基边坡坡脚下融化区的产生及发展。通过非线性弹塑性有限元分析,研究了融化深度、融化区位置和融化区切入长度对纵向裂缝形成的影响规律。研究结果表明:随着融化深度不断加深,纵向裂缝产生的可能性增加,且规模逐渐增大,但并不影响裂缝产生的位置;融化区切入长度不同,纵向裂缝产生的位置不同,纵向裂缝的规模也不同;在所有切入长度中,存在一个临界长度,此时纵向裂缝的规模最大;随着融化区中心位置不断向路基中心移动,路基纵向裂缝呈现出复杂的变化现象,融化区中心位置影响路基纵向裂缝是否产生及其产生的位置。     

多年冻土路基热棒施工技术

青藏铁路是我国高原铁路,地处青藏高原,海拔平均在4 000 m以上,多年冻土路基的施工是青藏铁路施工成功的关键,热棒技术是多年冻土路基施工采用的新技术,是成功解决多年冻土路基施工的方法之一.文章对热棒的工作原理、用途、特点及施工方法作了详细介绍.     

冻土路基温度场室内足尺模型试验

取用多年冻土地区代表性土类进行冻土路基室内足尺模型试验,建立伴有相变的路基非稳态温度场的控制方程,在空间域内用采用混合单元的有限元网格划分,在时间域内用有限差分格式划分的混合解法进行有限元分析。通过对观测结果进行数值模拟,验证了数学模型的正确性。进一步分析路基温度场的变化规律与野外观测结果的变化规律,其一致性说明了室内模型试验可以模拟野外冻土路基的真实情况,为研究冻土路基温度场的变化规律提供了可靠依据。     

冻土退化过程中植被覆盖度的变化研究

在全球气候变暖的背景下,青藏高原的多年冻土出现了不断退化的现象.退化的多年冻土隔水作用减弱或消失,并导致依赖于冻结层上水的植被变化.在模拟高原多年冻土分布的基础上,分析了冻土的退化过程植被覆盖度的变化,结果表明,冻土的变化可分为3个阶段:冻土稳定段(80年代)、冻土快速退化段(90年代)和冻土缓慢退化段(最近十几年).同时,采用GIMMS(global inventory modeling and mapping studies)第3代NDVI数据(1982—2012年)分析青藏高原植被覆盖度的斜率变化特征,结果显示:在近31a来,青藏高原的植被覆盖度斜率整体上呈微弱增加趋势;植被覆盖在冻土退化的3个时段内的变化特征为:从20世纪80年代冻土相对稳定期到90年代的冻土退化期,比退化面积增大11%;近十几年来,冻土退化逐步减缓,植被退化的增幅减弱,面积比90年代增大了3%,但退化的区域更为集中.冻土退化与植被的变化机制复杂,本文的分析与发现对理解冻土对生态的影响有一定的意义.     

多年冻土区级配改良结构性路基热学机制

提出在青藏高原多年冻土上修建路基的一种新型结构——级配改良结构性路基，即通过路基填土的粒径级配重组和水平排水板的结构改良，改善路基的热效应，并建立级配改良结构性路基模型；根据粗砾石的Balch效应和级配改良粗粒层自然时流效应，分析级配改良结构性路基保护多年冻土的热学工作机制；依据级配改良结构性模型路基的尺寸和热力学参数，采用有限元数值分析方法，建立有限元分析模型。在年增温率为0．04℃／a条件下，20a内级配改良结构性路基与地质体的温度场有利于冻土保护，路堤冻土上限抬升后的变化幅度与天然场地冻土上限的下降幅度一致，有利于减小不均匀的融沉变形，减少路基不均匀沉降开裂。研究结果表明，级配改良结构性路基具有良好的保护冻土的功能，是一种简单有效的路基结构形式。