多年冻土区铁路路基阴阳坡面热状况差异分析.pdf

多年冻土区铁路路基阴阳坡面热状况差异分析.pdf

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第24卷第17期岩石力学与工程学报Vol.24No.172005年9月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringSept.，2005收稿日期：

收稿日期：

20050224；修回日期：

修回日期：

20050519基金项目：

基金项目：

国家重点基础研究发展规划（973）项目（2002CB412704）；中国科学院知识创新工程重大项目（KZCX1SW04）；国家自然科学基金重大项目（90102006）作者简介：

作者简介：

盛煜（1964），男，1986年毕业于清华大学水利工程系水资源专业，现任研究员，主要从事冻土工程方面的研究工作。

E-mail：

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多年冻土区铁路路基阴阳坡面热状况差异分析多年冻土区铁路路基阴阳坡面热状况差异分析盛煜，马巍，温智，张明义（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州730000）摘要：

摘要：

对于多年冻土地区的工程建设而言，人类活动所诱发的局部多年冻土环境的改变远甚于气候变暖的效应。

整体而言，路基阳面的沉降变形普遍大于路基阴面，预示着阳面多年冻土的融化更为剧烈。

基于青藏铁路北麓河试验场的现场监测资料，分析了路基阴阳坡面热状况的差异。

结果表明，路基阳坡面年平均温度比路基阴坡面可以高出3以上，冬季路基阳坡面温度较高对阳坡面整体高温贡献较大。

路基阴阳坡面、路基顶面的温度年较差均比天然地表高，预示着路基填土表面地气热交换周转量比天然地表大。

路基阴阳坡面热状况的差异会导致路基下伏土层温度场的不对称性，由此可能引起路基横向的不均匀变形。

关键词：

关键词：

土力学；路基；温度；阴坡面；阳坡面中图分类号：

中图分类号：

TU43文献标识码文献标识码A文章编号文章编号10006915（2005）17319705ANALYSISOFDIFFERENCEINTHERMALSTATEBETWEENSOUTHFACEDSLOPEANDNORTHFACEDSLOPEOFRAILWAYEMBANKMENTINPERMAFROSTREGIONSHENGYu，MAWei，WENZhi，ZHANGMing-yi（StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering，ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute，ChineseAcademyofSciences，Lanzhou730000，China）Abstract：

Asfortheengineeringconstructioninpermafrostregions，thechangeoflocalpermafrostenvironment，inducedbyhumanevents，influencespermafrostmuchmorethantheclimatewarming.Thesettlementonsouthfacedslopeisusuallymorethanthatonnorthfacedslope，asindicatedthatthethawingofpermafrostundersouthfacedslopeisacuter.BasedonobserveddatainBeiluhetestsiteofQinghai-TibetRailway，thedifferenceinthermalstatebetweensouthfacedslopeandnorthfacedslopewasanalyzed.Theresultsindicatethatthedifferenceofground-atmosphereheattransfersbetweensouthfacedslopeandnorthfacedslopeisveryobviousandtheannualmeantemperatureata0.5mdepthonsouthfacedslopecouldbehigherthanthatonnorthfacedslopebyover3.Thehighertemperatureonsouthfacedslopeisgreatlyattributedtohightemperatureduringwintertime.Thefactthattheannualrangesofgroundtemperaturesnearembankmentsurfacesareallgreaterthanthosenearnaturegroundsurfaceshowsthattheground-atmosphereheatexchangeofembankmentsurfaceisbeyondthatofnaturegroundsurface.Thiskindofdifferenceinthermalstatemayresultinasymmetricthermalregimeinembankment，andunderlyingsoilaswell.Asaresult，possibleunevenlytransversedeformationmayappear.Keywords：

soilmechanics；embankment；temperature；southfacedslope；northfacedslope3198岩石力学与工程学报2005年1引引言言地表与大气之间的热交换、土层深部的地热流是决定土层一定深度内温度状况的热边界条件。

地中热流尽管有地域之分，但是在一定的时间范围内各个区域的地中热流通常是非常稳定的。

因此，地气之间的热交换条件便成为决定地温的最为主要的热边界条件。

多年冻土也正是依赖于一定的地气热交换条件而发育存在的。

尽管诸多的证据表明全球变暖正在引起一些地区多年冻土的退化，但是对于多年冻土地区的工程建设而言，人类活动所诱发的局部多年冻土环境的改变远甚于气候变暖的效应1。

以道路工程为例，青藏公路自20世纪50年代修建以来，穿越多年冻土的路段变形病害十分严重，其主要原因在于路基下伏多年冻土持续发生着融化、地温升高、上限下移等显著的退化现象24。

整体而言，路基阳面的沉降变形普遍大于路基阴面，预示着阳面多年冻土的融化更为剧烈。

换言之，路基阳面地气之间的热交换条件更加可能促使下部土层形成热量积累。

文5对北麓河青藏铁路路基浅地表的热状态进行过动态监测，但其工作更多地关注工程作用对地表热状况的改变，没有对阴阳坡面热状况的差异进行监测。

文6根据太阳辐射日总量和路基走向建立了理想条件下铁路路基表面热状况的太阳辐射因子随铁路走向的不同而产生的影响进行了分析研究。

另外，在多年冻土地区路基温度场的数值模拟计算中，路基周边温度边界条件的选取将直接决定路基下伏多年冻土热状况的变化过程，而绝大多数数值计算研究中均没有考虑路基阴阳面热交换状况的差异710，其主要原因是缺乏实际观测资料。

2001年国家重点工程青藏铁路开工，建设部门对铁路沿线穿越的500余千米的多年冻土区路基的稳定性给予了充分的重视，分别在清水河、北麓河、沱沱河以及安多建立了实体试验工程路段，主要目的就是研究各种维护多年冻土区铁路路基稳定性的措施，力保今后青藏铁路的正常运营。

试验路段的主要监测内容包括路基及下伏土层温度和路基变形。

借此机会在北麓河试验场路基周边布设了浅层地温监测探头，本文对此监测结果进行了分析。

2观测场地及观测方法观测场地及观测方法监测路段位于青藏铁路设计里程DK1139+618DK1139+950范围，地处孤山山脚的残破积地带，地表纵向呈拱形、横向呈斜坡，地面高程为46354639m，路基填土高度为2.54.5m（中心部位），路基填料为碎砾石土。

试验段地表植被稀疏，覆盖率不足20%。

该段地表为厚约1m的细砂夹残破积砂岩片石，下部至2.5m范围以黄棕色粉质粘土为主，多年冻土上限为2.5m，上限以下普遍存在14m厚的含土冰层，含土冰层呈悬浮状构造。

含土冰层以下以全风化棕红色泥岩为主，局部夹有灰色强风化砂岩。

岩芯裂隙发育，裂隙中常常被纯冰充填，在局部形成饱冰、富冰冻土。

试验段多年冻土年平均地温从DK1139+670段面的0.28逐渐降低至DK1139+940段面的0.69，属于高温极不稳定和高温不稳定多年冻土区。

该试验路段纵向走向（拉萨向）为SE40，路基修筑后左右边坡形成较为鲜明的阴阳面（左侧为阳面，右侧为阴面）。

路基完成半年以后（2002年6月），在DK1139+670，DK1139+820和DK1139+940三个断面沿路基周边0.5m深度布设了测温探头，探头间距0.5m，图1为试验断面探头布设示意图。

测温探头采用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室组装自制的热敏电阻观测，人工观测电阻时采用0.1分辨率的Fluke多功能万用表测试，通过实验室标定的参数将电阻值换算为温度。

采用人工观测，观测频率为1次/（10d）。

3路基周边浅地层温度分析路基周边浅地层温度分析截至2003年8月29日的观测资料表明，3个断面路基周边温度值及变化过程基本相同。

因此，本文以DK1139+670断面的观测资料为例进行分析。

另外，在路基顶面、路基阴阳坡面上除了几何拐点外各个部位温度基本相同，因此，可认为浅地层地温在路基周边3个面上差异不大，而只有路基周边各个面之间有温度差异。

分析资料时将各个面上监测的温度值进行平均代表基顶面、路基阴阳面上的浅地层温度；对每月3次温度观测值进行平均得到各个面上的月平均温度。

图2给出了DK1139+670断面路基左侧坡面（阳坡面）、路基顶面和右侧坡面（阴坡面）浅地层温度变化过程，由图2可知两个明显的规律：

（1）路基阴坡面（右侧坡面）浅地层温度始终低于路基阳坡面（左侧坡面）和路基顶面；

（2）冬季3个面上的浅地层温第24卷第17期盛煜等.多年冻土区铁路路基阴阳坡面热状况差异分析3199图1探头布设示意图（单位：

m）Fig.1Schetchofobservationsection（unit：

m）图2路基周边浅地层（0.5m深度）温度变化过程Fig.2Groundtemperaturesatthedepthof0.5munderembankmentsurfacechangingwithtime度差异最大，阳坡面最高，路基顶面次之，阴坡面最低。

选择观测期间2002年9月2003年8月的资料作为一个年度对浅地层温度进行年度温度指标分析结果如表1。

最高温度3个面差异不大，阳坡面比阴坡面只高出1.76；最低温度3个面差异非常明显，阳坡面比阴坡面高出4.88，比路基顶面高出2.70。

阴坡面的冻结指数是阳坡面冻结指数的2倍多，而阴坡面的融化指数只有阳坡面的约3/4。

路基周边3个面只有路基阴坡面的年平均温度为负温，表明阴坡面在目前热状况下处于有利于多年冻土发育的条件。

阳坡面非常高的年平均温度预示着阳坡面边界存在强烈的多年冻土退化（融化、地温升高）热状况。

路基顶面基的热状况基本介于阴、阳面之间，略有热量积累条件。

阳坡面与阴坡面的年平均