论文部分内容阅读
高温—高含冰量多年冻土自身热稳定性差，温度的轻微变化便会导致其力学性质产生实质性变化，进而在外部载荷作用下产生可观量级的压缩变形。青藏铁路建设运营以来，高温—高含冰量多年冻土区大部分普通路基沉降变形量均较大。在未来气候变化及多年冻土退化的背景下，青藏铁路工程面临的冻土工程地质条件也逐渐在恶化。因此，针对目前冻土热稳定差、沉降变形量较大的路段，青藏铁路公司实施了补强措施。然而，补强措施是否能够确保路基下部多年冻土热力稳定性，一直是青藏铁路普遍被关注的问题。针对这个问题，本文基于北麓河厚层地下冰试验段冻土温度和变形监测数据，研究了气候及工程作用下多年冻土的变化特征，分析了通风管路基在增设碎石护坡的补强措施和普通路基、保温材料、路桥和路堑过渡段等在增设块石护坡、热管+碎石护坡的补强措施下，路基稳定性的变化。同时，也通过数值模拟对提出的改进补强方案进行了模拟研究。得到了以下几个方面的研究结论: 1.通过北麓河10个不同生态系统场地冻土温度的监测数据和北麓河气象站的观测数据，分析了北麓河10年来的气温和降水、活动层厚度和多年冻土温度的变化特征。青藏高原北麓河地区在过去十年间气温并未出现明显的增高趋势，降水量却出现明显的增加趋势;同时，多年冻土升温和活动层增厚趋势显著，但不同生态系统冻土变化对气候的响应存在显著差异，而融化指数和降水增加可能是冻土变化的主要驱动因素。此外，工程活动对周边多年冻土也有一定的影响。 2.通风管路基在增设碎石护坡的强化措施处理后，其降温效率得到了显著的提高，阳坡附近路基内部土体温度平均降低了0.5～1℃，人为上限进一步抬升，垂直降温范围明显扩大，阴阳坡效应得到了一定的改善。但是，碎石护坡对不同布设方式下的通风管路基的调控效果具有显著差异。通风管措施经碎石护坡强化后，位于通风管路基底部时的降温效果明显好于通风管位于路基中部时的情形。因此，对于高位及低位通风管路基在采用块碎石护坡进行强化时，块碎石的参数应采取不同的方案进行优化。 3.普通路基在增设块石护坡的补强措施处理后，对于高温冻土来说，左路肩下路基内部温度平均降低2～2.5℃，人为上限显著抬升，深部冻土升温明显减缓，沉降变形虽得到有效减缓，但仍呈非衰减性持续发展;右路肩补强效果优于左路肩，沉降变形发展趋势基本稳定。对于低温冻土来说，左右路肩下土体开始持续降温，左路肩沉降变形速率逐渐减小，右路肩处变形则由缓慢的沉降变形逐渐转化为微弱的冻胀-融沉式季节循环变形。 4.高温多年冻土区路基在增设碎石护坡+垂直热管补强措施后，冻土路基的热力稳定性得到了一定改善。对于水平路段的普通路基来说，原上限附近土体温度显著降低，沉降速率也随之显著减小，但路基中心处则降温迟缓。对于斜坡地段的保温材料路基来说，路基下部土体降温效果十分显著，路基变形由沉降变形逐渐转换为随季节变化的冻胀-融沉式循环变形。对于填挖过渡路基来说，采用了换填粗颗粒土或块石并铺设保温材料处理，再增设热管补强后，沉降变形量进一步减小的同时也未出现冻胀变形，可供以后多年冻土区路基换填工程借鉴。然而，对于路桥过渡段路基来说，建设后路基即经历了严重的沉降变形。经碎石护坡+热管补强后，降温范围仅局限于路基体及其下部2m范围内，原天然多年冻土上限附近土体及其下部多年冻土仍在增温，左右路肩处年累积变形量仍十分可观。仍需对其进行强化处理。 5.针对路基中心处降温不理想及增设补强措施处理后仍存在较大变形的路段，提出斜插热管和双半导体（硅藻土-碎石）护坡+垂直热管的两种新补强方案，并通过数值模拟方法模拟了补强方案的可行性和降温效果。斜坡上碎石护坡+护道上热管以倾角α=60°补强后，无论从人为上限抬升及拓展幅度来看，还是路基中心土体的降温时效性来看，其对路基的热稳定性的改善均优于水平地面上热管斜插的情形。普通路基经双半导体式护坡方案同时辅以垂直热管补强后，路基热稳定性优于目前的碎石护坡+垂直热管的方案状态，并能达到与碎石护坡+垂直热管+保温材料的补强方案类似的降温效果，可以对目前补强后阳坡处隔热防护不良的路段提供进一步的强化。