青藏铁路多年冻土区特殊结构路基研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 喻文兵 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2003 |
| 授予单位 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 授予地点 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 导师 | 赖远明 |
| 关键词 | 路基 通风管 稳定性 多年冻土 青藏铁路 抛石护坡 抛石路基 |
| 其他题名 | Study on Special Embankment in permafrost regions of Qinghai Tibet railway |
| 中文摘要 | 青藏铁路由于其穿越了世界屋脊一青藏高原而成为举世瞩目的重大工程。大面积的多年冻土成了困扰建设者们的一大技术难题，尤其是在全球气候变暖的背景下，多年冻土区铁路路基的稳定性问题就显得尤为突出。本论文从青藏铁路工程建设应用实际出发，运用室内模型试验和数值分析方法，对青藏铁路多年冻土路段实际工程中采用的通风管路基进行了室内的模型试验，分析了通风管路基在边界温度周期性波动条件下的温度分布规律，同时进行了与常规路基的比较研究；运用数值模拟方法研究了在气候变暖条件下通风管路基的降温效果。根据青藏铁路现场抛石路基使用中出现的问题和以气候变暖为背景，用室内模型试验方法对4种不同粒径的石头，在模型顶部为封闭、边界周期平均温度为正温且周期性变化的条件下，进行了降温效果研究；利用数值模拟方法，根据不同气候变暖幅度和地表温度条件对抛石护坡路基、抛石护坡与抛石路堤复合结构路基进行了研究。在本论文研究工作过程中，及时根据现场工程信息对研究内容进行了调整，力求与工程实际密切结合，为解决实际问题服务。通过研究得到如下主要结论。1．通风管路基室内模型试验根据青藏高原多年冻土区一般气候条件和青藏铁路一般路基设计高度，利用相似理论，在环境温度T＝-3.5＋12sin[2π/15（τ＋6.79）]及常风速条件下对通风管路基讲行了樟型试验研究，同时进行了对比试验研究，得到如下结论：（1）通风管路基能够有效的降低路基土体温度，发挥保护冻土、维持路基稳定的作用。（2）在单一主导风向作用下，通风管路基中，在沿风向方向上温度场呈现出不对称分布特征，在实际应用中引起注意。建议结合抛石护坡来克制这种弊端。青藏铁路现场通风管路基试验一个冻融周期的结果也表明了这一点（牛富俊，2002）。（3）通过通风管中心轴断面的温度分布与两通风管中间断面的温度分布在纵向上是均一的，这说明在试验所设计的通风管间距下（2倍管径），相邻通风管对土体温度的影响范围重叠了，这对实体工程设计具有一定参考价值。（4）在同样试验条件下，通风管路基的降温速率远大于没有通风管的路基。在初始含水量较小的情况下，没有设通风管路基底部观测点的相变过程比初始含水量较大的通风管路基长。（5）在融化期，通风管路基的O℃线下降幅度大于没有通风管的路基。这说明在融化期通风管对冻土的保护是不利的，在实际应用中应该将管口封闭，这样效果会更好。2．通风管路基数值模拟研究根据未来50年气候变暖2.6℃和初始地表温度为-1.0℃的条件，对青藏铁路海拔约为450Om的通风管路基进行数值计算，得到如下结论：（1）在气候变暖条件下，通风管路基土体的温度比普通路基低。在普通路基冻土已融化的情况下，通风管路基的土体仍能保持冻结状态。与普通路基相比，通风路基能储存冷能，对路基有很好的制冷作用。（2）在未来50年气温升高2.6℃的背景下，青藏高原多年冻土区普通高填方路基不能维持路基的稳定，而合理设计的通风管路基仍能维持路基的稳定。3．石材降温试验研究根据青藏铁路部分路段使用抛石路基出现的问题和以气候变暖为背景，在顶部封闭、环境周期平均温度为正的情况下，对4种粒径的石头进行降温效果试验，结果表明：（1）无论是粒径小的碎石层还是粒径大的块石层，在顶部封闭及环境周期平均气温为0.5℃的情况下，只要满足一定厚度都具有一定的降温效果。（2）在石头层底部，其温度分布规律都是中心位置温度高，边缘位置温度低，从中心向边缘温度逐渐降低。（3）石头层内空气的湿度对降温效果有明显影响。粒径较大、孔隙连通性好的石头层内易形成冰，模型底部有冰体的长期存在对降温是有利的，但是成冰现象对降温效果的定量影响有待进一步研究。（4）石头孔隙大小和连通性对降温效果有明显影响。在初始阶段大粒径的块石层降温－速度快，小粒径的碎石层降温慢。随着时间推移这种差别明显减小。（5）存在最佳降温的粒径范围。在本试验条件下，这一粒径范围在22.1cm到27.1cm之间。考虑测量误差，将这一范围扩大为20-30cm。（6）在青藏铁路多年冻土区，如果抛石路基或抛石护坡路基在运行过程中石头表面被沙子填堵后，其降温效果不会丧失。（7）在全球升温背景下，即使地表面温度升为正温，顶部封闭条件下的石头层仍具有降温效果，达到保护路基下多年冻土的目的。（8）在使用抛石路基或抛石护坡路基的时候建议采用封闭系统，石头粒径在20～30cm为宜，且应该满足一定厚度。4．抛石护坡路基数值模拟研究通过对初始地表温度为-1.0℃、年升温率为0.04℃／a和初始地表温度为-1.5℃、年升温率为0.052℃／a两种边界条件和不考虑阴阳坡差异作用条件下抛石护坡路基的数值模拟可得到如下结论：（1）气候变暖导致天然地表下冻土大幅度融化、冻土上限剧烈下降，普通路基将不能维持稳定。（2）抛石护坡路基能够抵消气候变暖的不利影响，且能够对路基制冷，降低路基土体温度，保护冻土，维持路基稳定。（3）不同气候变暖幅度和地表条件下，同样的抛石护坡路基结构有不同的温度特性。初始地表温度较高（-1.0℃）、年升温率（0.04℃／a）较低情况下的路基温度要低于初始地表温度较低（-1.5℃）、年升温率（0.052℃／a）较高的情况，这说明升温率对路基温度的影响较大。（4）本章路基计算模型中，抛石护坡的石头粒径约10cm，且采用非等厚铺设方式（上部薄、坡角处厚）。结果表明：石头层的降温范围还不能完全影响到路基的中心靠下的位置，因此认为：在实体工程中应该加大抛石层的厚度、采用等厚的铺设方式或使用较大粒径的石头，以进一步加强降温强度，确保路基稳定。5．抛石护坡与抛石路堤复合结构路基数值模拟研究塞通过对青藏铁路在海拔约4500m、地表温度为-0．6℃年、增温率为2．6℃／50。及考虑阴阳坡差异情况下，抛石护坡与抛石路堤复合结构路基的数值分析得到如下结论：（1）气候变暖导致天然地表下冻土大幅度融化、冻土上限剧烈下降，普通路基将不能维持稳定。（2）抛石护坡与抛石路堤复合结构路基能够有效的延缓路基下冻土的退化，但在本计算模型中，还不能完全控制冻土融化。同时阴坡与阳坡下的冻土上限存在差异，但结果是阳坡比阴坡上限浅（相差473cm），这是阳坡片石层降温效果较强导致的。因此，在该种环境及气候变暖幅度下，如要完全防治冻土融化、调整阴阳坡下上限的差异，还需适当加大护坡层及夹层片石的厚度，或使用较大粒径的石头，且要适当减小阳坡与阴坡片石层厚度之比。（3）在青藏铁路多年冻土区，在考虑气候变暖及考虑阴阳坡差异条件下使用抛石护坡或抛石护坡与抛石路堤复合结构路基时，建议使用石头的粒径范围为20-30cm，护坡层的厚度大于1.8m，护坡层采用等厚铺设方式，初步建议阴阳坡石头层厚度之比小于1／2。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-08-22 |
| 页码 | 148 |
| 源URL | [http://ir.casnw.net/handle/362004/21991]  |
| 专题 | 寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 喻文兵. 青藏铁路多年冻土区特殊结构路基研究[D]. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2003. |
入库方式： OAI收割
来源：寒区旱区环境与工程研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。