青藏铁路北麓河地区典型热融湖变化特征及其对冻土热状况的影响

在全球气候变暖、青藏高原平均气温升高的大背景下,多年冻土区热融湖的发育及其对冻土热状况的影响日益显著.以北麓河地区的一典型热融湖为例,通过对湖岸坍塌及年地温变化等进行监测分析.结果表明:目前该热融湖湖岸逐年坍塌,坍塌主要发生在靠近铁路一侧厚层地下冰发育区域,年平均坍塌宽度大约为0.5m,湖心下原约83.0m多年冻土已全部融化.根据210Pb测年,估算该热融湖形成于约890aBP前.在热融湖的影响下,湖心至路基坡脚天然孔之间多年冻土上限深度及多年冻土厚度均发生了很大变化,湖近岸多年冻土上限深度比路基坡脚天然孔多年冻土上限深约0.65m,湖边多年冻土厚度也比路基坡脚天然孔多年冻土厚度薄约60m;湖心至路基坡脚天然孔之间土层在水平方向形成明显的地温差异,在相同深度,湖心下土层地温年平均值比天然孔地温年平均值高5.0℃左右.热融湖作为热量的载体,以二维热传导方式将热量向其周围传递,导致附近多年冻土温度升高,热稳定性降低.

青藏高原热融湖对冻土工程影响的数值模拟

热融湖的侧向热侵蚀对周围冻土工程产生较大影响。在柱坐标下,运用带相变的数值热传导模型,预测了热融湖影响下冻土路基的地温场发展状况和可能造成的工程病害。预测结果表明:在不考虑湖岸坍塌后退、面积扩大的情况下,热融湖对冻土路基的热影响主要受湖底年平均温度和湖边到路基的距离两个因子的影响。湖底年平均温度越高,对路基的热影响越严重;湖边到路基的距离越近,对路基的热影响亦越严重。突出的表现在坡脚、路基中心平均地温升高和融化夹层在水平、竖直方向的发展。如果考虑热融湖的湖岸坍塌后退,实际增温要比模拟的结果更明显,影响更严重。

循环冻融对冻土路基护坡块石物理力学特性的影响

选用铺设于青藏铁路护坡、护道的碎屑岩、泥岩和砂岩3种岩石进行循环冻融试验。研究了在循环冻融条件下的破坏方式,并通过RSM-SY5数字声波仪对岩石进行超声波无损检测;根据不同冻融周期超声波波速变化,计算分析了循环冻融对岩石物理力学特性的影响;通过单轴压缩试验,得到岩石抗压强度随循环冻融次数变化的规律。研究结果表明:3种岩石在循环冻融条件下具有不同的表观破坏方式,碎屑岩破坏最严重,表面不同程度地出现了轴向和环向裂纹;其次是泥岩,一条近似"几"字型的裂纹出现在泥岩表面,且裂纹发展较快;砂岩表观破坏最轻微,仅有1条细而短的裂隙发育在表面;在30个循环冻融周期内,泥岩和砂岩几乎无质量变化,而碎屑岩由于岩屑掉落而质量减轻不到1%;3种岩石的弹性模量、刚性模量、体积模量、泊松比等力学特性随着循环冻融次数增加而下降,且泊松比出现负值,揭示了循环冻融对岩石材料特性的深层次破坏;岩石抗压强度也随着循环冻融周期呈现下降趋势。

路基施工对青藏高原多年冻土的影响

青藏高原上施工会扰动其下多年冻土的存在状态.近些年来,高原上相继修建的大量的线性工程,这些大型工程的建设必将进行多年冻土区的开挖和夯填,从而会引起下伏多年冻土的结构发生很大变化.研究了路基施工对青藏高原多年冻土的影响,并以青藏铁路、青藏公路沿线典型实例进行分析.结果表明:开挖施工扰动最大,可引起斜坡失稳滑塌、地表积水和热融湖塘等;填土路堤会引起其下伏多年冻土升温,路基两侧形成的小气候往往起着提高地面温度的作用;挡水、排水设施施工也会导致多年冻土上限下降,地表沉陷.可见,填土路基、开挖、地表工程扰动都会导致多年冻土发生变化,这些冻土变化对路基稳定必将构成威胁.

热融湖影响下多年冻土退化的数值模拟

在柱坐标下,运用带相变的数值热传导模型,预测了千年尺度上热融湖对多年冻土退化的影响。预测结果表明,受热融湖的影响,湖底下部及周围多年冻土温度状态发生了较大变化。在湖深相同的情况下,湖底年平均温度越高,对多年冻土的热扰动越明显。当湖底年平均温度等于0℃时,湖底下部及周围多年冻土一般不会形成融化层,只可能引起地温升高;当湖底年平均温度大于0℃时,多年冻土不但温度升高,上限下移,而且可能形成融化层,最终导致多年冻土可能被融穿。湖底年平均温度越高,地温增加越快,融穿多年冻土的时间越短。在湖底年平均温度相同的情况下,水深差异对多年冻土退化的影响不明显。

青藏铁路沿线热融沟发展特征及其对路基热稳定性的影响

热融沟是多年冻土区常见的一类热融现象,其本身的沉陷及其侧向热侵蚀会对冻土区路基工程造成危害。随着气候变暖及人类活动的不断增加,热融沟的危害将是冻土路基工程病害防治必须面对和解决的重要问题之一。以青藏铁路现行里程K980+000处路基西侧一典型发育的热融沟为研究对象,通过对地温和变形监测的结果表明:该热融沟在两年内下沉了近15 cm,下沉速度约7～8 cm·a-1,下沉主要发生在每年8～10月。热融沟沟肩不断向沟内滑移,0.5 m深度的水平位移大约是5 cm·a-1。热融沟年平均地温高于该地区天然孔平均地温约0.5℃,热融沟每年从4月开始吸热,吸热期233 d,单位面积吸热约为3300 kJ·m-2。热融沟对附近冻土路基产生较大影响,每年侧向进入路基的热量达近70000 kJ,从而可能会导致冻土路基温度升高,稳定性降低。

青藏工程走廊热融湖塘水理化特性分析

为查明青藏工程走廊热融湖塘水理化特性及其理化特性与湖塘分布之间的关系,选取青藏工程走廊楚玛尔河至风火山段为研究区域,沿青藏公路从北向南依次选取19个热融湖塘进行水深、面积等几何特征调研并取水样,进行阴阳离子等理化参数测定。分析了热融湖塘水的理化特性,并结合调研资料探讨了热融湖塘理化特性与区域环境及湖塘分布之间的相关性。结果表明在3个研究亚区湖的水理化特性有较大差别,楚玛尔河高平原从北向南湖水矿化度逐渐升高,水质由淡水向咸水再到强咸水过渡,主要与该区域"碟"状湖的分布特征和寒旱多风及蒸发量大有关;可可西里山区和北麓河盆地的湖水矿化度较低,水质以弱咸水或淡水为主。这两个亚区湖较深,地形以丘陵盆地为主,降低了湖面的蒸发量。

季节性冻土区高速铁路路基填料及防冻层设置研究

由于高速铁路对变形的高要求,在季节性冻土区修筑高速铁路,路基的防冻胀问题尤为关键。通过借鉴、分析国内外各行业对地基、路基填料的冻胀敏感性分类,以及国内外公路、铁路等行业对防冻层设置的具体技术要求和工程措施,结合哈大客运专线工程具体要求,讨论适应我国季节性冻土地区高速铁路路基填料的冻胀分类的技术指标。通过现场监测数据对比分析冻胀量沿路基冻深的分布状况,发现高速铁路路基冻胀变形量的70%出现在路基基床底层上部,以此来评价防冻层设置厚度。并应用有限元法进行数值计算,结果表明,使用改性A,B组填料的路基最大冻结深度要较使用普通A,B组填料的路基小20～30 cm,同时回暖速度也快于普通路基,说明使用改性填料的路基具有良好的保温效果和升温速率。

青藏铁路路桥过渡段沉降变形影响因素分析

青藏铁路于2006年7月1日建成通车,已运行5年。总体上铁路路基是稳定的,但由于铁路建设在以高温高含冰量为特征的多年冻土之上,冻土的微小变化会诱发路基病害的发生,其中路桥过渡段沉降变形是比较典型,也是最为普遍的一类路基病害。通过对青藏铁路西大滩至尺曲谷地164座桥梁路桥过渡段沉降病害调查及相关因素分析。过渡段路基沉降与桥走向的南北端、路基坡向、路基高度、多年冻土类型(含冰量)、地温、路基结构以及地质条件等因素相关。桥北端平均沉降量大于南端,阳坡大于阴坡;沉降量随着路基高度呈对数趋势增加;富冰、饱冰等高含冰量冻土区沉降明显高于多冰、少冰地段,高温多年冻土区沉降量高于低温多年冻土区;路基结构对过渡段沉降也有一定的响应性,表现为特殊结构路基沉降较小;粉土、粉质黏土等细颗粒地层段沉降量比砾石土等其他岩性地段大。通过相关性分析表明,过渡段路基沉降与坡向相关系数最大,为0.234,其次为与路基填土高度,为0.213,与桥南北端、路基结构、冻土含冰量也呈正相关关系;与地温的负相关性比较显著,为-0.210,其次与地质条件呈现出负相关性。

青藏铁路沿线多年冻土分布特征及其对环境变化的响应

针对青藏高原特殊的自然气候条件,按照地形、地貌把青藏铁路沿线多年冻土分为15个区段,并分别介绍了各个区段多年冻土特征.结果表明:在外界环境变化,包括全球气候变暖及工程活动的双重效应下,青藏铁路沿线多年冻土及其存在状态发生了极大变化,这些变化主要包括年平均气温升高、多年冻土退化、热融灾害增加、寒区工程病害不断加剧等.多年冻土及其存在状态发生变化不但导致生态环境恶化,而且对青藏铁路沿寒区工程的安全运营、维护及发展提出新的挑战.

季节冻土区保温法抑制铁路路基冻胀效果研究

模拟气候因素变化过程,得到不同时期冻土路基温度场分布,温度场随时间的变化可以反映出冻结相变区的变化;进一步分析表明,铺设保温板后,对路堤中心下冻结深度线的提升具有显著的作用,但对坡脚附近土体冻结深度线影响甚微,应当做好路基边坡防护工作。考虑土体体积力和土体冻结相变产生的膨胀力,采用热弹塑性冻胀计算模型,得到冻土路基冻胀时的变形和应力分布。在此基础之上,对冻土路基发生最大冻胀时的变形场和应力场进行分析,结果表明:利用保温法增大热阻,推迟或预防地基土的冻结,可明显减小路基冻胀隆起变形,使路基中拉应力(拉应变)减小;铺设保温板后路基坡脚附近天然地表下季节冻结层土体仍发生较大冻胀变形,其冻结时巨大的冻结膨胀力对路堤边坡仍有一定的破坏作用。建议与换填法相结合,改善坡脚附近冻胀敏感性土的土质,减弱其冻胀性,从而减小冻胀力对路堤的破坏作用。

兰新客运专线浩门区间路基温度、水分及冻胀变形特征

粗细颗粒混合填料的微冻胀严重影响着寒冷地区高速铁路的安全运营.基于对兰新客运专线浩门区间运营期4个路基断面不同深度的温度、水分及冻胀变形现场监测,分析了冻结期该铁路路基在不同深度下的温度、水分及冻胀随季节变化特征.结果表明:越接近地表,对外界环境温度变化的敏感性越高,温度传递随时间的滞后性呈指数递减规律,深度超过3 m时全年无负温.寒季2.7 m厚的路基最大冻胀量约2.1 cm,其中,0~0.5 m处寒季最低温度介于-10.3^-15.6℃,暖季及冻结初期含水量相对较高有15%左右,其冻胀率约4.86 mm·m-1,故级配碎石在低温含水量高情况下能有效减弱冻胀.冻胀率最大值(14.34 mm·m-1)发生在0.5~1.5 m之间的普通AB组填料层,寒季最低温度介于-7.2^-12.4℃,暖季及冻结初期含水量介于10%~15%.1.5~2.7 m之间的填料层冻胀率约为1.94 mm·m-1,寒季最低气温-3.2~0.4℃,暖季及冻结初期含水量介于12.5%~15%.路基填料细颗粒(粒径小于0.25 mm)含量越高,冻胀率越大,建议将细颗粒料控制在15%以内.

季节冻土区高速铁路路堑段路基稳定性试验研究

新建哈大客运专线穿越东北中部山前平原,其中有10 km长为地下水埋深很浅的路堑段,冻胀问题突出。基于对长春西客站附近的路堑段开展的路基水热状况监测,分析路基填筑主体及其下土体水热条件时空变化过程及其对冻胀的影响,并评价运营前路基变形特性。结果表明,在现有设计和正常施工条件下,路基热稳定性良好,总体相对变形量未超过7 mm,上层冻胀变形量占据总体冻胀量的60%以上,且与地温呈负相关关系,并随着冻深而逐步减少;路基中设置的封闭复合土工膜阻隔外界水分向路基基床主体迁移,使得基床土体含水量基本稳定,从而减少分凝冰的形成;地温变化的趋势和分布特征与基床部位和表层工程措施相关:轨道板和钢筋混凝土基座增大路基的热阻,使得地温等值线在其下呈现略微"上抬"的趋势。同时正线两侧联络线使用的传统道碴层,因其降温机制使得其下的地温呈现略微"降低"的趋势。双向线路中间的排水沟下方冻结深度增大,而路基两侧的排水沟由于使用不同的工程构件,使得该部位下方及临近部位的冻结深度变化与路中排水沟下的略有不同。综合监测结果显示,监测期间试验段路基热力学稳定性良好。

循环冻融条件下安山岩和花岗岩的物理力学特性试验研究

结合青藏铁路块石护坡路基处于青藏高原特殊的气候条件,对用于青藏铁路护坡的两种主要岩石(花岗岩和安山岩)进行循环冻融试验.结果表明:两种岩石在经历了数次冻融循环后都出现了微细裂纹;声波监测表明,超声波速同冻融循环周期呈指数下降关系,显示了冻融循环对岩石风化的影响以及循环后岩石物理力学参数变化的趋势.结果说明,花岗岩的冻融后质量变化率远远低于安山岩,而孔隙率较大的安山岩破坏现象较花岗岩严重.随着冻融过程的深入,岩石的超声波纵横波速比同比在不同区域内下降,同时岩石的冻融过程中可能会出现负的泊松比.

季节冻土区防冻胀护道对保温路基地温特征影响效果研究

运用土壤冻结条件下水热耦合输移基本方程及数值方法,考虑在铺设保温层情况下,加铺防冻胀护道对路基地温特征的影响规律,并与未加铺防冻胀护道的情况进行对比分析。结果表明:铺设保温材料对减小路基中部附近土体季节冻结深度有明显作用,但对路基两侧冻结深度影响相对较小;加铺防冻胀护道对边坡下土体季节冻结深度有一定程度的抬升作用,上升幅度由路基坡脚向路肩逐渐减小,但对路基中部附近土体季节冻结深度影响甚微;保温板-防冻胀护道复合路基结构形式,充分利用两种措施优点,对路基中心、路肩以及坡脚下最大冻结深度抬升的综合效果更好,抬升最大值分别为1.48、1.01、0.68 m。

季节冻土区保温路基设计参数

运用土壤冻结条件下水热耦合输移的基本方程和数值方法,模拟分析在不同的埋深、宽度、厚度和施工季节条件下,铺设XPS保温材料板对路基下季节冻土最大季节冻结深度在以后50年内随时间的变化。在数值模拟的基础上,提出在季节冻土区铁路路基工程中埋设保温层的合理深度、宽度及施工季节;总结分析保温板厚度和路基填土高度之间的关系。

青藏高原北麓河地区典型热融湖塘周边多年冻土特征研究

青藏高原多年冻土区广泛分布着热融湖塘,热融湖塘的形成会对周边的多年冻土产生显著的影响.选取北麓河地区一典型热融湖,运用探地雷达技术对该湖塘周边的多年冻土进行了探测.结果表明:湖岸坍塌剧烈区一侧的多年冻土上限深度大于湖岸轻微坍塌区和湖岸稳定区,并且在湖水的热作用下,湖岸多年冻土的上限深度随离湖岸距离的减小而增大;湖岸坍塌剧烈区上限附近的地下冰含量也明显高于湖岸轻微坍塌区和湖岸稳定区.同时,通过对湖岸测温孔的地温观测数据的分析可以看出,湖岸地温正在逐年升高且升高的速率快于天然状态,湖岸地温随离湖岸距离的减小逐渐增大.

青藏工程走廊典型热融灾害现象及其热影响研究

在全球变暖及人类工程活动的影响下,青藏工程走廊内的热融灾害普遍发育。研究走廊内各类热融灾害的发育现状及其对多年冻土的热影响对今后的工程规划和冻土环境保护具有一定的指导意义。本文通过大量的野外调查工作,总结了走廊内热融灾害的类型及其发育现状,并选取3种典型热融灾害进行现场地温监测,分析其对多年冻土的热影响方式和程度。研究结果表明:3种热融灾害对其发育区域及附近的多年冻土都产生了巨大的热影响,热融滑塌和热融沟主要影响浅层的地温状况,而热融湖塘的影响范围更大,其发育甚至会导致湖塘下部形成多年融区。此外,侧向热流计算结果表明,3种热融灾害全年都在向其周边的多年冻土放热,通过对比发现热融湖塘的侧向热侵蚀能力最强,其次是热融沟,侧向热侵蚀最小的是热融滑塌。

重塑粘质黄土冻胀敏感性试验分析

以沈哈高速铁路沿线具有代表性的粘质黄土为研究对象,在室内冻胀试验条件下,研究了非饱和含水量、冷端温度、冻结速率、补水条件以及冻融循环对土体冻胀特性的影响。试验表明,在封闭系统下,非饱和土体冻胀系数随含水量增大而增大,且最终趋于一个稳定数值;封闭系统下,随着冷端温度的降低,含水量较大土样的冻胀系数逐渐减小,含水量较小土样的冻胀系数逐渐增大;开放系统下,土样冻胀系数随冻结速率的减小逐渐增大,且增幅越来越大;外界补水条件下,土体冻胀量增加显著,但随含水量的增大,其影响逐渐减弱;干密度较小土样的冻胀总变形随冻融循环次数的增加呈指数递减的趋势,干密度较大土样则呈指数增加的趋势。

季节性冻土区高速铁路换填路基冻结特征的有限元分析

运用土壤冻结融化条件下热传导的基本方程和数值理论方法,结合哈大客运专线具体工程,通过模拟分析在不同的路基高度、几何断面选型、填料选择和施工、竣工季节条件下,对比分析了换填路基结构不同部位的季节性最大冻结深度在今后50a内随着时间在全球升温的背景趋势下的变化规律。通过分析并讨论换填路基的热状况特征及其分布变化规律,在数值模拟结果的基础上,结合季节性冻土区高速铁路无碴轨道路基结构的特点,总结并提出了较为合理的换填路基高度、几何结构形式选型、路基填料的选择分类以及路基施工和竣工季节,并通过以上结果分析评价了换填后路基的整体热稳定性。