自青藏铁路通车以来,其冻土地区铁路路基的融沉冻胀病害层出不穷,铁路路基过渡段的差异沉降问题尤为严重。基于一般地区铁路路基过渡段差异沉降的治理方法,结合冻土区铁路路基的主动降温措施,对冻土区铁路路基过渡段施工结构进行了探索性的改进研究,并对改进后铁路路基过渡段的长期热稳定性进行了分析。结果表明:将传统块碎石铁路路基上层路基填料换填成一定高度的单一粒径碎石,可使铁路路基在满足力学稳定性的前提下,实现最大限度的自然对流换热效应;通过数值模拟计算分析发现,改进后的铁路路基过渡段结构在气温变暖的环境背景下主动降温效果明显,且长期热稳定性好;桥台对铁路路基过渡段的温度场影响较大,建议对受太阳辐射强烈的桥台进行保温处理。

选取东北多年冻土区锥柱式电力杆塔基础为研究对象,基于含相变的热传导理论,采用有限元方法对-1.8℃、-3.5℃和-6.1℃三种年平均气温下不采取保护措施和采取PUR保温板措施的塔基温度场、基底温度变化以及基底的融化层厚度进行了数值分析.结果表明,东北多年冻土区电力杆塔基础修筑过程中,由于施工以及混凝土杆塔良好的导热作用,会对地基土体的温度场产生较大的扰动.施工完成后短时间内杆塔基础底部温度会快速升高,导致地基土体发生融化,严重威胁电力杆塔的热稳定性.在基础旁边设置PUR保温板能明显减弱塔基底部多年冻土温度的上升,有效控制塔基底部的融化范围,对塔基热稳定性具有明显的提升作用.

在青藏高原风火山多年冻土试验场,对太阳能制冷装置与热管制冷装置用于维护多年冻土地基热稳定的效果进行现场对比试验。结果表明:在同等试验条件下,太阳能制冷装置显现出了较强的工作性能和制冷效果;太阳能制冷装置能够以多年冻土区丰富的太阳光照为热源动力,使制冷装置不分季节全时段工作,特别是在暖季,能够有效阻止环境温度对多年冻土地基的热侵蚀;太阳能制冷装置的年均地温降低幅度比热管制冷装置的大0.57～0.96℃,制冷影响半径比热管制冷装置的大0.13～0.87m,实际制冷量为热管制冷装置制冷量的1.97倍。

随着西部大开发的深入推进,大量的工程将集中在宽度不足10km的青藏工程走廊的范围内,工程之间的相互作用对冻土路基的热稳定性将造成重要的影响。本文通过冻土路基设计思想、热稳定性评价标准、研究方法与结论,热稳定性提升措施四个方面对冻土路基热稳定性的研究现状进行了总结,并对其未来研究的方向和趋势进行了展望。以期为相关科研人员和工程人员提供一个相对全面的文献基础。

以黄河源区多年冻土分布现状和热力特征为研究目标,通过野外调查及实测数据,分析了黄河源区不同地形地貌、不同地表覆盖条件下的冻土形成、分布特征和以地温为基础的热学特征,探讨了不同尺度因素对多年冻土分布的影响。结果表明,在高程低于4 300 m的平原区,多年冻土多不发育;在高于4 350 m的山区,局地地形对多年冻土的形成与分布作用显著。除阳坡地形外,多年冻土均比较发育;介于4 300～4 350 m的低山丘陵和平原区,局地地形、地表植被、土壤湿度等因素共同决定着多年冻土的形成和分布格局。以年均地温指标为基础,构建了以纬度、经度和高程为自变量的回归模型,并对阳坡地形进行微调和校正。结果表明,以0oC作为划分季节冻土和多年冻土的标准和界限,多年冻土面积2.5×104km2,约占整个源区面积的85.1%;季节冻土面积0.3×104km2,约占整个源区面积的9.7%。进一步以0.5oC或1.0oC为分类间隔绘制了黄河源区多年冻土热稳定性空间分布图。

为了减少多年冻土拓宽路基差异融沉,提出块石气冷拓宽路基处治方案,在路基下伏多年冻土横向差异退化的背景下,以多孔介质自然对流换热理论为基础,建立了块石拓宽气冷路基数值计算模型,对利用旧路拓宽,以及翻挖旧路并原位新建块石气冷拓宽路基两种不同建设模式进行了数值模拟,分析了块石层内空气对流特征、多年冻土层长期热稳定性变化过程以及新旧地基冻土层差异融沉控制效果。结果表明:块石拓宽路基在提高阳坡路肩下多年冻土层热稳定性方面起到了积极作用,拓宽路肩下多年冻土层在新建黑色沥青路面强吸热作用下未出现明显退化,块石拓宽路基在消除阴阳坡冻土差异退化方面效果明显。在既有旧路病害严重路段,需要对旧路地基和拓宽地基起到双重调控作用,适宜采用翻挖旧路并原位新建块石气冷拓宽路基,对新旧路基差异融沉可以起到更好的控制效果。

国民经济的发展推动了我国路面施工的进步,砂砾路面升级为沥青路面成为我国道路发展的必然趋势。先是对影响因素进行了概述,有分别详细阐述了改造工程和数据模型与参数,最后对模拟结果进行分析。

冻土路基热稳定性评价是一个复杂的工程评价问题.应用可拓理论,选取年平均地温、体积含冰量、天然上限、路基高度及路基走向5个影响路基热稳定性的主要因素作为冻土路基热稳定性的评价指标,将熵权法引入可拓学理论中,避免确定指标权重的主观随意性,从而建立熵权物元可拓模型,并将该模型应用于青藏铁路普通路基的热稳定性评价.将评价结果与青藏铁路现场监测系统中4个普通路基断面热稳定性监测结果进行对比,结果表明应用物元可拓模型可以得到比较可靠的路基热稳定性评价结果.因此,该评价方法可应用于冻土路基热稳定性评价.

砂砾石路面是非封闭性路面,路面上下不仅存在着感热交换也发生着潜热交换。采用沥青路面后,由于沥青路面的止水作用,雨水不能通过路面进入路基,路基的水分也不会通过蒸发进入大气,沥青路面仅能通过感热方式与外界进行热交换。另外,沥青路面属于黑色路面,其表面的太阳辐射平衡值远高于砂砾石路面。在热交换方式和太阳辐射吸收能力两个方面的影响下,沥青路面的温度一般都要高于砂砾石路面。

在介绍青藏高原多年冻土退化背景及其工程影响的基础上,通过主要冻土路基现场监测和沿线调查,对青藏铁路冻土路基2002年以来的地温发展过程、热学稳定性及次生冻融灾害进行了分析。结果表明:青藏铁路自2006年通车后冻土路基整体稳定,列车运行速度达100 km/h,达到设计要求,但不同结构路基的热学稳定性不同,采取"主动冷却"方法的路基稳定性显著优于传统普通填土路基。管道通风路基、遮阳棚路基及U型块石路基冷却下伏多年冻土的效果显著,块石基底路基左右侧对称性较差,而处于强烈退化冻土区和高温冻土区的普通路基热稳定性差,需结合路基所在区域局地气候因素予以调整或补强。以热融性、冻胀性及冻融性灾害为主的次生冻融灾害对路基稳定性存在潜在危害,主要表现为路基沉陷、掩埋、侧向热侵蚀等,其中目前最为严重的病害是以路桥过渡段沉降为代表的热融性灾害。