冻土路基地温分析欧阳志Word下载.docx
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学号：
指导教师：
吴亚平
完成日期：
兰州交通大学
LanzhouJiaotongUniversity
摘要
保护路基下多年冻土的稳定有多种方法，碎石护坡是其中一种主要措施。
鉴于青藏高原的地貌气候特征及环保要求，青藏铁路主要采用桥梁和涵洞结构。
为了验证碎石护坡保护冻土的效果，在青藏铁路的五道梁和风火山试验段多年冻土区进行了一个完整的冻融循环的地温检测。
分析了铁路沿线天然场地的低温特性以及碎石护坡后路基桥梁基础附近的地温特征，有如下基本结论：
（1）青藏铁路在本测试区段的冻土区属于冻土低温稳定区。
沿线的天然场地基本没有受到人类活动的影响，冻土上限和地温经多年观察处于稳定平衡状态。
（2）青藏铁路在本区段,左侧为阳坡,右侧为阴坡。
光照不同阴阳坡热效应有明显差异。
结果是左右两侧温度场呈不对称分布，冻土带上限低温也有较大差异。
（3）桥梁桩基范围内的天然测温孔和现有测温孔的观察结果表明，两种地温场没有多大变化，桥梁桩基的施工对冻土的影响不大且已经恢复正常。
（4）涵洞洞口两侧地温有较大的差别，主要是受阴阳坡和通风的影响，在同一侧的地温变化也较明显，离洞口越远，地温越高，反之则越低。
关键词:
青藏铁路;
多年冻土;
碎石护坡;
冻土地温
论文类型：
应用技术研究
Abstract
Protectionofpermafrostunderroadbedstabilityinavarietyofways,crushedrockrevetmentisoneofmainmeasures.InviewoftheQinghai-TibetPlateaulandformclimatecharacteristicsandtherequirementsofenvironmentalprotection,theQinghai-Tibetrailwaybridgeandculvertstructuremainlyuses.InordertoverifytheeffectofcrushedstoneslopeprotectioninpermafrostofQinghai-Tibetrailway,infiveLiangHefengvolcanotestsectioninpermafrostregionswereacompletecycleoffreezingandthawingtemperaturedetection.Analysedrailroadalongthenaturalgroundtemperaturecharacteristicsofcrushedrockrevetmentbaseandposteriorbridgefoundationnearthetemperaturecharacteristic,havethefollowingconclusions:
（1）inthetestsectionofQinghai-TibetRailwaypermafrostzonebelongstothefrozensoilstableregion.Alongthenaturalfieldshavenotbeenaffectedbyhumanactivities,andthegroundtemperatureofpermafrosttableaftermanyyearsofobservationinastableequilibriumstate.
（2）inthissectionofQinghai-Tibetrailway,therightsideslope,theshadyslope.Lightandheateffectofdifferentslopeshaveobviousdifference.Theresultisleftandrightsidesoftheasymmetricdistributionoftemperaturefieldinpermafrosttemperature,thecapalsohasbiggerdifference.
（3）bridgepilefoundationwithinthescopeofnaturaltemperaturemeasuringholeandtheexistingtemperaturemeasuringholeobservedresultsshowthat,twotypesofgeothermalfielddidnotchangemuch,thebridgepilefoundationconstructiononpermafrosthaslittleeffectandhasbeenrestoredtonormal.
（4）The4sidesofculvertholetemperaturehavebiggerdifference,ismainlyaffectedbytheslopeofyinandYangandtheventilationeffect,onthesamesideofthegroundtemperaturechangeismoreapparentalso,fromthemoredistant,groundtemperatureishigher,viceversa.
Keywords:
theqinghai-tibetrailway;
Permafrost;
Rubblerevetment;
Permafrostgeothermal
Papertypes:
theapplicationoftechnologyresearch
目录
摘要2
Abstract3
1绪论1
1.1选题意义1
1.2国内外冻土工程研究综述2
1.2.1国外冻土工程研究的发展及状况2
1.2.2国内冻土工程研究的发展及状况2
1.3本文的主要内容及技术路线5
1.3.1研究内容5
1.3.2技术路线6
2试验段工程概况8
2.1试验段地质地貌及地质概况8
2.2测试断面工程措施及其实测断面结构尺寸9
2.2.1碎石护坡填土路堤结构试验段9
2.2.2碎石护坡块石路堤结构试验段10
2.3地温测试方案11
3路基范围天然地温场分析13
3.1影响冻土存在和变化的主要因素13
3.1.1气温与冻土的关系13
3.1.2地质构造与冻土的关系13
3.1.3地热与冻土的关系14
3.1.4岩层性质与冻土的关系14
3.1.5雪盖与冻土的关系14
3.1.6植被与冻土的关系15
3.1.7地形与冻土的关系15
3.1.8云量、日照与冻土的关系15
3.2影响试验段路基下冻土存在和变化的主要因素分析15
4碎石护坡填土路基地温特性分析16
4.1碎石护坡路基冻土上限地温特性分析16
4.2碎石护坡路基地表浅层地温特性分析20
4.3碎石护坡路基原天然地面地温特性分析21
5碎石护坡块石路堤地温特性分析23
5.1碎石护坡路基地温时空变化规律23
5.2碎石护坡路基地表浅层地温变化特点29
5.3碎石护坡路基原天然地面地温变化特点31
5.4碎石护坡路基冻土上限地温变化特点32
5.5碎石护坡路基原天然冻土上限地温变化特点33
6多年冻土地区主动冷却地基方法研究34
6.1通风管路基35
6.2抛石护坡与碎块石互层通风路堤36
6.3热棒（桩）用于保护多年冻土路基37
6.4遮阳棚用于保护多年冻土路基39
6.5热半导体保温材料的研制及在多年冻土保护中的应用41
6.6人工冻结技术在多年冻土保护中的应用43
7结论及展望44
7.1结论44
7.2进一步研究展望44
致谢46
参考文献47
1绪论
1.1选题意义
冻土是指温度在0℃或0℃以下并含有冰的各种土。
如果土体中温度为负温而不含冰则为寒土。
按土的冻结状态保持时间的长短，冻土一般又可分为短时冻土、季节冻土和多年冻土三种类型。
多年冻土是指冻结时间持续两年或两年以上含冰的岩土层，其表层一定深度的土层处于冬冻夏融状态。
世界范围内的多年冻土面积约35×
106平方公里，约占全球陆地面积的23%，主要分布在俄罗斯、美国的阿拉斯加，加拿大北部等地，此外尚有部分分布于南美和中亚的高山地区。
我国的多年冻土面积约215万平方公里，是世界第三冻土大国，主要分布于东北大小兴安岭地区和号称“世界第三极”的青藏高原。
其中青藏高原多年冻土区面积约149万平方公里，约占我国多年冻土面积的70%。
青藏高原是世界上面积最大、海拔最高的高原。
它西起帕米尔高原，向东延伸到川西、滇北的横断山，北起昆仑山，南至喜马拉雅山脉，方圆约200多万平方公里，南北跨越近10个纬度，平均海拔高程4500m以上，构成我国地势上最高的一级台阶，被称为“世界屋脊”、“地球第三极”。
随着我国西部大开发的推进以及青藏铁路的修建，对冻土区铁路进行更深入的研究便迫在眉睫。
青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原多年冻土铁路。
青藏铁路格尔木至拉萨段，全长1142km。
其中，海拔4000m以上的线路长约960km，经过连续多年冻土区长约550km。
在此范围内，冻土路基的热稳定性是多年冻土地区路基稳定性的核心问题。
多年冻土区由于存在周期性的冻融作用，产生的各种不良工程地质现象对工程建筑物有极大的影响。
多年冻土地区的路基结构由两部分组成，上部为活动层，下部为多年冻土层。
活动层的冻胀融沉是导致多年冻土地区路基变形最主要的因素。
大量的工程实践表明，在冻土区筑路遇到的主要问题是冻胀和融沉。
在季节冻土区主要问题是冻胀，在多年冻土区主要问题是融沉。
融沉一般发生在路基基底的多年冻土上部分布有较厚的地下冰层，在施工及运营过程中各种人为因素的影响下，使多年冻土层局部融化，热稳定性丧失。
融化层在土体自重和外力作用下产生沉陷，造成路基的严重变形。
保证多年冻土稳定性，首先就要保证路基的热稳定性，即路基、基底下多年冻土及边坡以外一定范围内的土体与外围环境之间的热力平衡状况。
研究冻土热稳定性，对路基温度场进行系统全面的研究，分析其在各种边界条件之下的特点及变化规律，是解决多年冻土地区路基诸多病害的根本性问题，对于指导冻土地区的道路设计理论和工程建设都将有着重大的意义。
1.2国内外冻土工程研究综述
1.2.1国外冻土工程研究的发展及状况
研究冻土的冻结和融化、冻土的形成发育和分布规律及其在自然或人为影响下的变化和控制的科学统称冻土学。
其发展依赖动土区经济的发展和扩大。
经济发展的需要使冻土学首先在俄罗斯发展成为独立的科学。
早在16世纪，文献中已出现有关西伯利亚和北美存在冻土的报道。
19世纪前半期，已初步获得西伯利亚冻土层的温度、厚度、埋藏条件和分布情况的资料。
著名的谢尔金探井（116m深度内）的冻土温度资料就在1925年测得。
与此同时，报道了北美哈得孙湾深处的岩土为永久冻结，埃什绍利茨湾沿岸有很厚的地下冰体。
从19世纪后半期，适应西伯利亚大铁路建设的需要，俄国地理协会制定并出版了《西伯利亚冻土研究指南》（1895年），亚切夫斯基提出了《论西伯利亚的永久冻土》报告（1889年）、沃耶伊科夫完成了西伯利亚铁路沿线冻土的第一篇综合报道（1889年），并出版了鲍格达诺夫的《永久冻土与永久冻土的建筑物》（1912年）等书。
1917年后，冻土研究进入有计划有目的的发展时期，成立了关于冻土研究的科学机构。
出版了《普通冻土学》（1940）,《冻土学原理》（1959）,《苏联冻土学》（1988）等一系列专著，显示出冻土学在原苏联的发展达到较高的深度和广度。
冻土学在其形成初期（20世纪30年代），即分为普通冻土学和工程冻土学两个分支。
普通冻土学研究冻土带的形成、发展历史和分布规律，冻土层的成分、性质、组构，冷生过程和现象，以及冻土带的温度动态和厚度等。
工程冻土学研究在人类经济活动下冻土的行为、性质及其控制。
工程冻土学以普通冻上学为基础，二者在实验室研究和现场试验研究的基础上结合起来。
1974年，美国曾在阿拉斯加的费尔班克斯西40km的公路上针对通风管道进行过现场试验，通风管道小坡度倾斜并平行于公路埋放于坡脚附近，并在一端构造了一段竖向管，以发挥“烟囱效应”，促进空气的流动。
研究结果认为应用通风管加强公路路基稳定性是可行的。
俄罗斯冻土科学家曾针对管道通风制冷系统进行过试验研究，工程中将通风管垂直于路基走向，并埋设在路堤填土底部，同样，进风和出风口的高度不同，研究结果表明工程效果良好。
美国阿拉斯加大学的Douglas教授等对块石路基进行过数值模拟、模型试验及实体工程试验，充分验证了块石路基具有冷却路基及下部地基土的作用。
Goreing等对抛石路堤进行了数值分析和现场试验研究，认为块石路堤在气温波动条件下具有热二极管效应一自然对流降温效应，其随时间累加而弥补由于施工等因素造成冻土条件的变化，甚至能使其恢复到自然状态。
1.2.2国内冻土工程研究的发展及状况
国内对冻土工程学问题的研究，可分为以下三个阶段:
（1）1978年以前是我国冻土学科的发展奠基阶段。
在此期间，主要是围绕冻土工程进行冻土分布范围的普查工作，积累了大量的资料。
早在20世纪40年代，一些地理学家就曾经报到过我国西部高山地区有多年冻土存在。
在1945-1959年间，应东北冻土区的地质矿产调查、林业开发、铁路和公路的修建以及工业与民用建筑等经济建设的需要，大大促进了冻土科学的研究。
1957年，铁道部在勘测设计大小兴安岭森林铁路中，调查了冻土分布和各种冻土工程地质现象，并取得了多年冻土区工程地质勘测及铁路建筑等经验。
这些都反映在1958年铁路部第三勘察设计院出版的《多年冻土的工程地质和铁路建设》一书中。
1960年，中国科学院在兰州成立了由施雅风主持的冰川积雪冻土研究所筹备委员会。
并相应成立了冻土研究组开展冻土科学的研究工作。
同年，铁道部高原铁路科研所在兰州成立。
中国科学院冰川冻土研究所和铁道部高原铁路科研所会同一些高校在1960-1962年间，卓有成效地开展了青藏公路沿线冻土综合考察工作。
与此同时，铁道兵在青藏高原地下冰最发育的风火山地区修建了铁路试验工程。
气候观察和研究由高原铁路科研所进行，在条件十分恶劣的情况下仍坚持了风火山地区观测站的研究工作。
1963年，周幼吾、杜榕恒发表了《青藏高原冻土初步勘察》一文，首次向国内外报道了青藏高原多年冻土的分布特征、温度状况、厚度、组构、地下冰及冻土地质地貌现象等情况。
1965年，《青藏公路沿线冻土考察论文集》（中国科学院地理研究所冰川冻土研究室）出版，在以往冻土考察研究基础上，就高原冻土分布及分区特征、冰缘地貌、冻土区地下水、冰的结构和化学以及植被等专题，进行了系统总结，标志着我国冻上研究成长起来了。
1966-1977年间，中国科学院兰州冰川冻土研究所、铁道部西北科研所会同一些科研单位结合工程建设项目，如:
青海热水煤矿（1969-1974）、格尔木至拉萨输油管道（1972-1973）、南疆铁路（1972-1976）及拟建的青藏铁路格尔木一拉萨段（1974-1978）等工程，在冻土工程地质条件评价、冻土物理力学性质及冻土地基基础稳定性等方面，进行了大量的现场调查和室内外试验、观测、研究工作，并积累了许多科学资料。
当时发表的论文表明，我国冻土学界对祁连山高山地区冻土分布特征及其变化规律有了较全面的认识；
对青藏公路冻土力学性质进行了系统的总结，并提出了有限体系能量平衡法确定冻土温度场的主要指标，推导出工程实践中便于采用的多年冻土南界附近季节融化深度的计算公式。
1972年，西北科研所和中国科学院兰州冰川冻土研究所共同主编了《青藏铁路多年冻土地区铁路勘测设计细则》，本书集中反映了青藏高原多年冻土区铁路修建过程中的工程技术问题的研究成果。
1975年，由中国科学院兰州冰川冻土沙漠研究所编写、出版的《冻土》一书，通俗而系统地介绍了冻土知识和我国以往冻土的研究成果，并编制了我国第一张小比例尺的中国冻土分布图。
（2）1978年到上个世纪末，是我国冻土科学研究迅猛发展的阶段。
在此期间，冻土学研究出现了一批系统的研究成果，并且研究领域越来越广，研究层次越来越深，研究方向越来越细，研究手段越来越先进。
1978年以后，在我国的冻土研究方面，出现了一批系统的研究成果。
在青藏高原冻土研究中，其主要成果有:
对区域冻土特征及其影响因素进行了系统总结（王家澄等，1979;
樊溶河等，1982;
童伯良等，1983）；
编制出版的比例尺为1:
60万的青藏公路沿线多年冻土分布图（童伯良、李树德等，1982）；
给出了不同类型多年冻土的平面分布界线图及分布特征等。
在此基础上编制出版了比例尺为1:
300万的《青藏高原冻土图》（李树德等，1996），这是一个集大成的具有里程碑意义的综合性研究成果，具有重要的参考价值。
20世纪80年代初，在大量研究资料的基础上，周幼吾等人对我国多年冻土的基本特征和分布发育的地带性、区域性规律进行了全面的论述。
根据决定多年冻土发育的主导条件，即纬度地带性和高度地带性，将我国多年冻土明确划分为东北地区高维度多年冻土和西部高海拔多年冻土两种类型，其中后者又有高山多年冻土与高原多年冻土之分。
并统计处中国多年冻上区面积为2.15×
106km2。
1990年，郭东信编写出版了《中国的冻土》一书，运用统计分析方法。
提出了中国多年冻土平面区划指标与比例尺为1:
400万中国冻土分布图的编制原则和方法，并由此对中国冻土分布规律进行了进一步的总结，明确划分出季节冻土和瞬时冻土的分布界线。
书中附录的比例尺为1:
400万的中国冰雪冻士图（施雅风，1988）体现了我国各类冻土的分布规律以及冻土区主要的冷生现象。
反映出我国区域冻土30多年来的研究成果。
1999年，出版了周幼吾等人编写的《中国冻土》一书，书中系统总结了新中国建立50年来，我国区域冻土学研究方面的重要成果，以及以多年冻土为主包括季节冻土的考察和研究成就，具有重要的科学价值。
2002年，盛煌发表的《保温处理措施在多年冻土区道路工程中的应用》一文，对保温措施的作用原理、效果做了详细的阐述；
2003年，马巍在《多年冻土地区主动冷却地基方法研究》一文中对各种主动降温工程措施从原理上做了初步介绍。
（3）2001之后是我国冻土研究的深化阶段。
围绕着青藏铁路建设，多年冻土区铁路路基试验段全面展开，各种保护路基冻土的工程措施相继实施，大量的监测工作目前正在进行。
2001年，青藏铁路工程格尔木一拉萨段正式开工，随之，各种主动降温工程措施的路基实验段全面展开，目前正处于观测、分析与积累资料阶段。
一些冻土稳定性的评价模型已经初步建立。
同时，工程冻土的研究方法和试验手段也大为改进。
由于计算机技术和数值模拟理论的发展，工程冻土研究由定性研究向定量研究深入，考虑路基下地层水分场、温度场、应力场等三场相互作用的耦合模型己经建立起来，并且模拟实际的温度场等变化规律。
随着许多铁路路基试验段上监测工作的全面展开，得到的更多实测数据将使各种计算模型得到修正和验证。
近几年来，随着研究的推进和深入，各种主动降温路基的工程措施的研究已经取得了不少科研成果。
李宁等对青藏铁路片石气冷路基工程效果进行的试验研究结果表明，片石气冷路堤体内地温寒季明显低于普通路段，有利于积存冷量，其最大融化深度抬升幅度较大;
赖远明等对青藏铁路抛石路基的温度特性进行研究，得出抛石路基通过对流交换热量，对其下面的冻上有提供冷能的制冷作用，可以保证冻土路基的稳定;
潘卫东等在《热棒技术加强高原冻土区路基热稳定性的应用研究》一文中论证了路基安装热棒后经过1年时间，基底的冷储量得到了显著增加，人为上限与普通路基相比抬升显著，在路基工程中使用热棒保护冻土和增强路基热稳定性是有效的；
2004年，孙志忠等发表了《多年冻土区块、碎石护坡冷却作用的对比研究》一文，文中研究结果表明，在地温观测期内块石层下平均温度低于碎石层下平均温度，而块石层下温度波幅大于碎石层下温度波幅，块石层下最大融化深度有明显的抬升，这种抬升得益于冷季块石层内空气较强的对流冷却作用；
2006年，冯文杰等发表的《青藏铁路遮阳板措施应用效果观测研究》一文证实，遮阳板措施对于保护路基冻土效果较其它主动保护冻土措施更快、更明显，应是多年冻土区工程建设中主动保护冻土措施的首选措施之一。
1.3本文的主要内容及技术路线
1.3.1研究内容
本文所研究的主要内容是在多年低温稳定冻土区，采用碎石护坡保护冻土路基稳定性的问题。
冻土路基的稳定性主要涉及的是由于冻土的冻胀和融沉引起的路基变形。
以多年冻土为地基的寒区路基工程，其破坏主要来自冻土地温场升高引起的冻土地基融化下沉。
通过工程措施来降低地温场，从而保护多年冻土，是寒区路基工程中应用最为广泛的一个方法。
目前采用的保护多年冻土路基的最常用的方法有:
抬高路基高度或在路基中铺设保温材料等。
通过增加路基高度或铺设保温材料来保护冻土路基，均是被动消极的方法，不足以完全消除冻土路基的融沉，尤其是在目前及今后一段时期内全球气温总体升高的大趋势下更是如此。
为了应对这一严峻问题，必须改变以往一直沿用的消极被动的保护冻土的措施，采用积极主动的措施，即冷却地基的办法，研究新的地温调控原理，开发新的地温调控技术，提出能冷却地基的新的路基结构形式和设计参数，以确保工程的稳定性。
铁路路基坡向不同导致的路基基底多年冻土温度场的不对称、路基工程人为上限形态的不对称和冻融过程不同步，是产生路基工程变形裂缝的直接原因。
针对这一分析结果提出了旨在减少传入地基土体热量、冷却地基土体的片石层和碎石护坡结构，并利用几何尺寸不同的片石层、碎石护坡对路堤不同坡向条件下传热量和冷储效果的差异，纠正温度场的不对称性和冻融过程的不同步，以
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