多年冻土区铁路保温路基变形特征研究

冻土具有极为特殊的工程地质性质,修建其上的路基将不可避免地发生变形,甚至是破坏。为保证道路畅通,冻土路基在满足热稳定性要求的同时,道路路基的变形也必须满足设计规范要求。基于青藏铁路北麓河保温路基的地温、变形监测资料,分析路基地温、变形特征及其相互关系。研究结果表明,冻土路基的变形和其下地温场状况密切相关,地温场状况及其变化控制和决定着冻土路基变形场的状况。多年冻土地温升高产生的冻土压缩变形是导致保温路基持续较大变形的主要原因之一,在冻土路基变形研究中不可忽略。而冻土融化产生的变形是冻土路基变形的主要因素。基于实际监测数据分析结果,考虑到温度对多年冻土地区土体力学性质的强烈决定作用,建立冻土路基热弹塑性融沉压缩本构模型,进行温度场和变形场的单向耦合分析。计算结果表明,当该地区年平均温度较低、在路基高度较小的情况下,铁路保温路基的变形较小。相反,在该地区年平均温度较高,路基高度也较大的情况下,冻土路基的变形较大,这也和监测结果相符合。     

多年冻土区道碴结构铁路路基室内试验研究

介绍了青藏高原多年冻土区道碴结构铁路路基的室内模型试验研究结果。分析了模型路基典型部位的温度随时间的变化情况及整个路基中典型断面在最低负温、最高正温和融化期结束时的温度场特征。通过对不同周期内对应时刻温度场的对比分析表明 :在路基表面 ,温度分布不对称 ;随着时间的推移 ,路基土体的温度有明显的降低 ,最大融化深度在逐渐减小 ,这说明在环境温度较低、路基高度较高的情况下 ,道碴路基结构是一种能维持路基下冻土稳定的路基结构形式 ,但在考虑全球升温及高温冻土条件下 ,还需要采取其它保护冻土措施     

多年冻土区片石护坡路基热稳定性的分析

为研究片石护坡对冻土路基稳定性的影响,建立了冻土路基温度场的三维数值计算模型,并采用有限元方法对普通路基、片石护坡路基在未来50年内气温上升2．6℃情况下的温度场进行了预报分析和比较。计算结果表明：路基阴阳坡的热差异会导致路基下伏土层温度场不对称,由此可引起路基横向的不均匀变形;在气温升高条件下,未来50年内普通路基将会产生较大融沉变形,片石护坡路基融化深度均小于普通填土路基的融化深度,阴阳坡温度差异也有明显降低。随着时间的推移,片石护坡路基对于提升冻土上限起到了一定作用。片石护坡对路基左侧、右侧的上限抬升幅度存在差异,路基左侧0℃等温线的抬升相对于右侧的上升幅度小。     

考虑相变作用的季节冻土路基冻融稳定性研究

考虑相变和全球气温升高的影响,采用有限差分法FLAC3D软件,对新建兰新铁路第二双线季节性冻融段的路基稳定性进行了研究.通过建立路基模型,选取适当的模拟计算参数、边界条件、初始条件、处理相变及求解方法,对考虑相变情况下路基温度场和变形场进行数值分析.分析表明,相变作用对路基温度场的影响很大;高度为4.2m的路基发生冻胀时,路面的相对变形较小,面路肩的相对变形较大,在距离坡脚约1m处会有很大隆起变形,路基的稳定性受到较大影响.     

纵向布管调控冻土路基温度场的模拟试验研究

在多年冻土地区修建铁路,为确保冻土路基的稳定,应使路基长期处于冻结状态。通过分析影响冻土路基温度场的主要因素,建立冻土路基模拟试验装置;在路基内部纵向布置调控管,进行冬季采集天然冷量和冬季采集天然冷量同时夏季辅助利用人工制冷冷量来调控冻土路基温度场的模拟试验。试验获得了采集天然冷量和采集天然冷量同时辅助利用人工制冷冷量调控路基时路基内部温度场的变化情况。试验结果表明,采集天然冷量同时辅助利用人工制冷冷量可有效地维护冻土路基的稳定。     

冻土非稳态温度场有限元模拟分析

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,但大多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,根据计算与实测结果的对比分析,从而有力地验证了本文采用有限元计算方法的可靠性,并且进一步根据计算与实测结果,对冻土路基非稳态温度场进行了计算分析.     

准饱和正冻土水热力耦合模型的扩展有限元程序研发

针对冻土冻融过程中存在移动相变界面及材料分区不断变化的特点,基于已建立的能全面地描述冻土的水、热、力与变形实际状态的准饱和冻土耦合模型,推导土颗粒、水和冰颗粒的温度场、变形场及水分场的扩展有限元解析格式,构建水热力相互作用在程序中实现的具体方法,开发一款能够为实际冻土工程服务的耦合分析平台3GEXFEM,利用程序对Fukuda系列试验进行数值模拟,分析得到的温度场、水分场与变形场与试验结果较一致,验证了程序的合理性和先进性。此外,基于程序系统地研究不同环境条件:上覆压力、温度梯度、变温模式、温变速率对冻土冻结过程中水热力耦合的影响,为模型及程序的工程应用奠定了基础。     

基于温度场的冻土路基变形数值分析及对比

考虑相变和全球气温升高的影响,利用数值分析方法,对青藏铁路典型路基的变形问题进行了分析和数值模拟。通过建立路基有限元模型,选取适当的边界条件、初始条件及热学计算参数,在计算了典型路基断面温度场变化的前提下,对三年的路基变形场进行了数值分析并与实际测试资料进行了对比分析。分析表明,融化沉降在一年内已基本完成,并逐渐开始回冻,两三年后,除路堤填料和地基的进一步压密外,蠕变效应开始显现。因此,对高温、高含冰量冻土而言,蠕变产生的沉降变形是不可忽略的。     

考虑频响特性的均质梯形断面路基等效参数计算

以无砟轨道路基为主要研究对象,建立多个高度梯形断面均质路基及半无限空间的有限元动力计算模型,对路基及半无限空间在相同荷载作用下不同位置的动应力、动位移和加速度进行了频响特性对比分析。综合考虑各动力响应结果得出:除去边坡点,路基内大部分点的动力响应吻合度基本呈现随路基高度减小而有所增加的趋势,当路基高度小于3m时,吻合度可达到约80%;当路基高度为4⁶m时,吻合度可达到70%以上;当路基高度为8m以上时,吻合度低于60%。根据不同的动力分析目的,达到满足分析精度要求的吻合度时,具有梯形断面的路基可以等效为半无限空间,其等效参数可以按照动力基础半空间理论进行计算。     

冻土通风管路基的温度场分析与设计原则探讨

通风管冷却系统是一种普遍应用的防止冻土退化的工程处理措施。针对青藏铁路高温冻土路段通风管设计与施工中的基本问题 ,通过系统数值仿真试验结果 ,考虑了通风管管间距 ,通风管管径以及通风管埋设高度等因素对冻土路基温度场的影响 ,分析了通风路基在各种因素影响下的冷却效果 ,再考虑到通风管的变形与强度以及冻土路基的稳定性要求 ,提出了通风管路基的设计原则     

多年冻土区粒径改良路基稳定性分析

路基稳定性是指路基受到车辆动态作用及各种自然力影响所出现的路面陷槽、翻浆冒泥和路基剪切滑动与挤起等情况的适应能力,包括热稳定性和强度稳定性。热稳定性是指路基的热状况对外界条件响应的敏感程度,是多年冻土区路基稳定性的核心。文中对国内外多年冻土区路基热稳定性研究进行了分析,并对热稳定性判断原则进行探讨。通过对现场粒径改良路基两个多冻融循环观测数据进行研究,分析了粒径改良路基的冻融循环地温变化规律及变形规律,得到了粒径改良路基具有抬升多年冻土上限的作用,并根据判断原则,认为粒径改良路基是一种稳定的新型路基结构形     

青藏公路湿地路段纵向裂缝形成机制及数值模拟

为揭示青藏公路纵向裂缝形成机制,基于可可西里垭口K3020+200处现场剖面观测及K3016+000处温度场测试结果,分析路肩下厚纯冰层的形成过程及其对路基稳定性的影响;并建立冻结及融化过程中路基纵向裂缝的力学模型,模拟湿地路段路基变形的发育过程。K3020+200处现场观测发现,在路肩、天然地表下存在厚纯冰层;K3016+000处路基不同深度地温时程曲线表明,越接近路表地温的变化幅度越大,路基内部地温变化滞后于路表,地表水经土路肩、边坡及坡脚下渗致使路肩及坡脚处多年冻土上限下降,即路基内部多年冻土上限呈拱形分布。研究结果表明,地表水下渗直接导致厚纯冰层的形成,路肩下厚纯冰层的形成及融化是路基不均匀变形、纵向裂缝形成的直接原因。     

软弱地层联络通道冻结法施工温度及位移场全程实测研究

研究软弱地层联络通道冻结法施工的冻结温度场、解冻温度场、冻胀融沉发展规律,是解决其冻胀及工后融沉预测与控制的前提。以软土隧道联络通道冻结法工程为背景,对冻结温度场、解冻温度场、地表变形、深层土体冻胀融沉及温度变化规律等进行了全程实测,对冻结壁的形成及解冻全过程进行了分析。结果表明:冻结过程温度变化规律可分为温度快速下降、降温减慢、降温速度加快、土体温度稳定、维护冻结等5个阶段。解冻期间,土体温度经历快速回升、0℃附近稳定、温度持续回升3个阶段。冻结圆柱交圈是产生迅速冻胀的临界时间点,冻胀主要发生在冻结18~45 d;联络通道解冻15 d,部分土体温度达到0℃附近,冻土进入相变阶段,因此应在15 d后开始融沉跟踪注浆;入土深度越大土体相变阶段持续时间越长,粉土融沉主要发生在解冻前2个月,其完全解冻需要100 d左右,此为跟踪注浆至少应持续时间。深部土体温度、冻胀融沉位移均随深度增大呈线性递增。实测拱顶冻结壁处最大冻胀及融沉位移分别是对应地表冻胀、融沉量的3.6倍、4.9倍。地表冻胀融沉槽为联络通道中线两侧符合拟正态分布规律,其影响范围约为隧道底部埋深的1.2倍。     

高温–高含冰量冻土压缩变形特性研究

 高温–高含冰量冻土在外荷载作用下会产生较大的压缩变形,对路基稳定性产生极大影响。室内高温–高含冰量冻土恒载变温压缩试验表明：在较低温度－1.5 ℃,－1.0 ℃下,冻土的压缩量相对较小,而在较高温度－0.5 ℃,－0.3 ℃下,冻土的压缩量相对较大,且在－0.5 ℃、－0.3 ℃两级温度荷载下的压缩量占总压缩量的70%以上;温度是影响高温–高含冰量冻土压缩系数的主要因素,在高温区内,压缩系数随温度的升高显著增大,当温度为－1.5 ℃时,冻土压缩系数为0.04 MPa－1,而当温度升高到－0.3 ℃时,冻土压缩系数变为0.29 MPa－1。路基沉降变形计算表明：对于砂砾路面路基,当路堤高度大于临界高度时,在未来50 a内不会发生融沉变形,路基的最大沉降量约为20 cm,变形符合铁路稳定性要求;当路堤高度小于临界高度时,路基下冻土随着时间的延长会发生融化,产生融沉变形,导致路基变形急剧增大,造成路基失稳。     

青藏铁路五道梁地区碎石护坡保护路基稳定性措施试验研究

以青藏铁路格尔木-拉萨段五道梁地区五北大桥碎石护坡试验段为对象,阐述了碎石护坡降低地温、保护冻土路基稳定性的原理,并对DK1082 425碎石护坡试验段的实测地温和路基变形的数据进行了详细的分析,研究了碎石护坡降低地温保持冻土路基稳定性的作用效果。     

常州砂性地层联络通道解冻规律研究

人工冻结联络通道施工常采用跟踪注浆解决软弱地层工后融沉问题,为此必须掌握解冻温度场的变化规律。以常州市轨道交通1号线某隧道联络通道冻结法施工为背景,将冻结阶段现场实测与温度场数值模拟进行对比,验证数值模拟方法正确性,并通过数值模拟对自然解冻与强制解冻规律进行分析。结果表明,60 ℃~90 ℃循环热水强制解冻周期为33.5~22 d,较自然解冻周期的160 d缩短了5~7倍,不同温度的强制解冻解冻周期大致呈线性变化。强制解冻完成次序依次为上部结构、冻结管内侧土体、冻结管外侧土体、集水井底部。冻结壁厚度不同工程可采用不同温度热水循环进行强制解冻,冻结壁厚度较薄时可适当降低热水温度;强制解冻融沉注浆前期应将重点放在联络通道上部结构侧边及顶部,后期应将重点放在底部。     

高速铁路路涵过渡段路基冻结特征试验研究

 对典型涵洞的路涵过渡段路基土体的冻结特征展开监测,并分析路涵过渡段路基及其下地基土的冻结特征和时空变化过程及其对路基稳定性的影响。结果表明,涵洞的存在使得台后路基冻结深度约为天然场地最大冻结深度的2倍,同时涵顶和涵底的冻结时刻和融解时刻均较涵侧要早;涵洞间接充当了通风管道的作用,减弱了路基的阴阳坡效应差异;涵洞的存在对其周围路堤的温度场有明显的影响,其显著增大了涵顶、涵侧填料温度随气温变化的幅度。通过对路涵过渡段土体冻结特征的监测分析,为涵下地基处理和路涵过渡段的路基填料选择及铺设方式提供参考。     

塑料冻结管冻土温度形成规律

为了获得PVC、PPR塑料冻结管在盐水冻结的温度场分布情况,采用物理模拟实验和理论求解相结合的研究方法,研究了PVC管、PPR管和钢管的单管冻结问题,分析了3种不同材质冻结管的冻结情况,获得了冻土区温度分布规律,掌握了PVC、PPR管作为冻结管冻土的发展速率,在同种情况下PPR冻结管的速度最慢,PVC管冻结的冻土帷幕平均发展速度约为钢管冻结发展速度的0.8倍。为采用PVC管作为冻结管,确定盐水冻结时间和计算冻结壁厚度,解决盾构进出洞免拔管问题提供基本参数。     

北京地区表土冻融对工程建设的影响

北京地区表土为季节性冻土,具有冬季冻结、春季完全融化的特点。本文论述了表土冻融的机理,并分析了表土冻融对建筑地基基础设计与施工、基坑边坡支防护结构、道路路基、安设GPS观测点等工程建设的影响,提出了防治表土冻融灾害的对策,希望对工程建设有指导作用。