青藏铁路运营期多年冻土区路基工程状态研究

论文摘要

青藏铁路格（尔木）——拉（萨）段全长1142km,其中穿越大片连续多年冻土区546.41km（其间分布的融区总长为101.68km）,位于多年冻土区的路基总长为321.706km,占多年冻土区总长444.73km的72.3%。线路跨越海拔高程4000m以上的地段约为965km,“高寒缺氧”、“多年冻土”和“生态脆弱”问题是青藏铁路建设的三大技术难题,而多年冻土居于青藏铁路建设和运营的三大难题之首。因此有“青藏铁路成败的关键在路基,路基成败的关键在冻土”之说。整个工程建设从2001年6月29日开始,至2006年7月1日正式开通运营。为有效保护多年冻土,维持其上路基工程的稳定性,青藏铁路在修建时,针对多年冻土路基采用了片石气冷路基、热棒、片（碎）石护坡等主动保护多年冻土的工程措施,取得了很好的效果。但是,多年冻土区部分地段的路基工程从施工完成后到运营期均有一些病害产生,影响了行车速度和运营安全。因此,开展运营期多年冻土区路基工程状态的研究,是保证青藏铁路多年冻土区路基工程长期、安全、可靠运营的前提。本论文采用现场调查和观测、室内试验、理论分析和计算等方法,分析了影响青藏铁路冻土区路基工程状态的环境气温和冻土特征;通过对运营期多年冻土路基工程状态的现场调查和监测,研究了运营期多年冻土区路基工程状态的变化机理和影响因素;研究了不同环境地质条件的路基工程在其建设和运营不同阶段工程状态的变化特征;研究了保证路基工程状态符合运营条件的工程对策并进行了长期效果评价。通过本论文的研究,可以得出以下创新性结论:（1）冻土区路基工程状态包括以下三个方面的表现:路基力学状态:指明显表现出来的路基垂直方向变形（冻胀融沉变形）和水平方向变形（路基裂缝）以及由于这些变形引起的路基失稳现象;路基热学状态:指路基工程修建以后不同阶段路基地温场形态（土体不同部位温度变化）;水热环境变化:指路基工程修建过程和运营过程周围冻土层上水、地表水变化及其侧向热侵蚀作用对路基变形和路基地温场的影响。（2）通过对青藏铁路开通运营以后包括建设过程中的路基工程状态分阶段的调查、观测和分析,对路基力学状态一路基变形和工程裂缝的发展过程以及对线路运营的影响进行了深入的研究,认为路基的热学状态是其发生发展的主导因素。改善路基力学状态应该从改善路基地温场形态出发,据此本文提出了相应的工程对策。（3）冻土区路基工程状态的变化与周围水热环境条件密切相关。在运营阶段周围水热环境条件在路基开裂的三个阶段:初期的裂纹和裂缝、中期的开裂和后期的裂开并滑塌起到诱发和拉动作用。（4）路基工程状态的变化机理内因在于填土的粘聚力和基底土体的压缩性,根本原因则是填土和基底土体地温场的不对称形态,后期发展则和外部水热环境影响有关。（5）有害路基工程状态的预防和整治,主要从抑制路基不对称形态地温场的工程措施为主,以保护路基周围水热环境为辅,在减少填土冻胀的前提下尽可能提高土体的粘聚力。（6）针对冻土区路基工程状态的最显现表现,即:路基变形及变形裂缝的变化机理和发展阶段,有的放矢的提出了针对不同阶段的工程对策:建设期间尽量采用改善填土颗粒级配和粘聚力的方法（土体分层加筋等）,建设和运营期间采用冷却路基基底土体改善地温场形态的工程措施进行补强（片石护坡和热棒）,防止路基坡脚积水和热融现象形成的工程措施（疏通路基坡脚纵向排水）。（7）对主要工程对策进行的数值计算模拟结果说明,防止裂缝和整治裂缝的关键在于控制冻融过程各个阶段的季节冻融速度和季节冻融土体厚度,减少路基中心和路基边缘部分的变形差异,降低融化季节路基本体产生的拉应力。（8）青藏铁路运营阶段对冻土区路基有害工程状态的整治和施工阶段的预防性整治不同,考虑既有路基工程病害整治的特殊情况,建议工程结构根据区域冻土条件和气候条件以及原有路基结构不同,可以选取各类热棒+片石护坡结构,片石护道补强结构、片石护坡补强结构等。（9）加强对路基工程状态的巡查,尤其是在融化季节初期的巡查监控,及时处理初期发现的有害工程状态（裂纹、积水等）是事半功倍的有效方法。本文研究过程的阶段性结论曾经在青藏铁路建设的各个阶段为工程补强设计和病害整治所采用,研究结论也被青藏铁路冻土区路基的运营过程所验证。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 研究问题提出和国内外研究综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外相关研究现状
• 1.2.1 国内外冻土路基工程概况
• 1.2.2 冻土温度场和片石护坡路基结构研究
• 1.2.3 路基有害工程状态认识和研究
• 1.2.4 冻土路基工程破坏机理和控制方法研究
• 1.2.5 青藏铁路建设期间的相关研究
• 1.2.6 青藏铁路运营期间路基工程状态的研究
• 1.3 研究内容和研究方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 1.4 论文创新
• 1.5 研究技术路线
• 第二章 影响冻土区路基工程状态发生发展的冻土环境条件
• 2.1 影响路基工程状态的自然环境
• 2.1.1 气候特征
• 2.1.2 太阳辐射
• 2.1.3 地质构造和地形地貌
• 2.2 影响路基工程状态的多年冻土特征
• 2.2.1 高原多年冻土年平均地温分区
• 2.2.1 青藏铁路沿线多年冻土地形地貌分区
• 2.2.3 冻土路基工程稳定性区域分类
• 2.3 影响路基工程状态的水热环境条件
• 2.3.1 冻土区水文地质条件
• 2.3.2 融区的水热条件影响
• 2.4 工程修建引起的水热环境变化
• 2.4.1 路基基底以下水分分布状态
• 2.4.2 工程热扰动和水热环境变化
• 2.5 小结
• 第三章 青藏铁路多年冻土区路基工程状态调查和监测
• 3.1 冻土区路基工程建设初期工程状态
• 3.1.1 路基变形和裂缝调查
• 3.1.2 路基地温场变化
• 3.1.3 初期工程状态研究小结
• 3.2 冻土区路基工程建设中期工程状态
• 3.2.1 路基变形和裂缝调查
• 3.2.2 路基地温场变化
• 3.2.3 路基周围水热环境变化
• 3.2.4 中期工程状态研究小结
• 3.3 开通运营期间冻土区路基工程状态
• 3.3.1 路基变形和裂缝调查
• 3.3.2 路基地温场变化
• 3.3.3 路基水热环境变化
• 3.3.4 运营期路基工程状态研究小结
• 第四章 冻土区路基工程状态的影响因素及工程对策
• 4.1 冻土区路基工程状态变化机理
• 4.1.1 天然条件土体寒冻裂缝发生机理
• 4.1.2 冻土区路基工程状态变化机理
• 4.2 冻土区路基工程状态的影响因素分析
• 4.2.1 填料性质影响分析
• 4.2.2 冻土冷生过程影响分析
• 4.2.3 路基水热环境影响分析
• 4.3 路基工程状态安全对策
• 4.3.1 冻土区路基工程修筑初期安全对策
• 4.3.2 冻土区路基工程修筑中期安全对策
• 4.3.3 开通运营期间冻土区路基整治和补强对策
• 4.4 小结
• 第五章 运营期抑制冻土区有害路基工程状态的工程对策研究
• 5.1 加筋结构抑制路基裂缝的效果评价
• 5.1.1 加筋土力学性质变化
• 5.1.2 加筋土试验路堤断面地层资料
• 5.1.3 加筋土路堤稳定性分析
• 5.1.4 加筋土路堤工程状态评价
• 5.2 片石护坡路基及其复合结构抑制路基裂缝的效果评价
• 5.2.1 片石护坡路基结构改善路基工程状态的机理
• 5.2.2 热棒+片石护坡路基改善路基工程状态机理
• 5.2.3 不对称片石护坡路基结构工程效果验证
• 5.2.4 热棒路基抑制路基裂缝的效果验证
• 5.3 典型路基结构长期效果预测
• 5.3.1 计算模型
• 5.3.2 实测值确定的计算参数
• 5.3.3 控制微分方程及有限元方法
• 5.3.4 数值计算方法
• 5.3.5 典型气温条件计算结果分析
• 第六章 结论和展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 展望和建议
• 参考文献
• 作者信息
• 攻读博士学位期间参加的研究工作及发表的论文
• 致谢