预冷土对青藏铁路路基温度场演变的影响.pdf

第3 3 卷第6 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 3N o ．6 2 0 0 4 年11 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g yN o v ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 6 0 6 1 1 0 5 预冷土对青藏铁路路基温度场演变的影响 周国庆1 ’2 ，王建州1 ，刘志强1 ’2 ，别小勇h z ，赵光思h 2 1 ．中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．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7 3 0 0 0 0 摘要针对青藏铁路多年冻土地区的路基稳定问题，提出了施工前预冷路堤土的思路，并建立了 用于试验路段的分析模型．分析表明路基施工完成后的前3a 是温度场剧烈变化的阶段，也是 路基容易出现破坏的时期；预冷路堤土对这段时间路基温度场的演变影响十分显著．采用一1 ‘C 预冷施工后，前3a 路基下多年冻土的上限迅速上移，与天然上限相比提高5 ～8m ；和普通方法 相比，路基中融化夹层的消失时间提前1 0a 以上，有效地维护了路基的长期稳定． 关键词青藏铁路；融化盘；温度场；预冷路堤土 中图分类号T u2文献标识码A I n f l u e n c eo fP r e C o o l i n gR o a d b e do nV a r i a t i o no f T e m p e r a t u r eF i e l do fQ i n g h a i T i b e t a nR a i l w a yE m b a n k m e n t Z H O UG u o q i n 9 1 2 ，W A N GJ i a n z h o u l ，L I UZ h i q i a n 9 1 ’2 ，B I EX i a o y o n 9 1 2 ，Z H A OG u a n g s i l 2 1 ．S c h o o lo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fF r o z e nS o i lE n g i n e e r i n g ，C A R E E R I ，C A S ，L a n z h o u ，G a n s u7 3 0 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t F o rt h ep r o b l e mo ft h es t a b i l i t yo ft h eQ i n g h a i T i b e t a nr a i l w a yr o a d b e di np e r m a f r o s t r e g i o n ，am e t h o do fp r e c o o l i n gr o a d b e db e f o r ec o n s t r u c t i o nw a sp u tf o r w a r d ，a n da na n a l y s i s m o d e lu s e df o rt e s t e dr o a d b e dw a ss e tu p ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ev a r i a t i o no ft h et e m p e r a t u r e f i e l do ft h et e s t e dr o a d b e di st e m p e s t U O u si nt h ef i r s tt h r e ey e a r sa f t e rc o n s t r u c t i o nt ob ef i n i s h e d 。 a n dt h er o a d b e di sd e s t r o y de a s yi nt h i sp e r i o d ；t h ei n f l u e n c eo fp r e c o o l i n gr o a d b e do nt h ev a r i a t i o n o ft h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h er o a d b e di sv e r yr e m a r k a b l e ．U s i n gt h em e t h o do f 一1 ‘Cp r e c o o l i n g r o a d b e d ，t h ep e r m a f r o s tt a b l eb e l o wr o a d b e di sm o v e du p5 ～8mr a p i d l yc o m p a r i n gw i t hn a t u r e p e r m a f r o s tt a b l ei nt h ef i r s tt h r e ey e a r sa f t e rc o n s t r u c t i n g ，a n dt h ev a n i s h i n gt i m eo fm e l tb e l ti s10 y e a r sa h e a do fs c h e d u l e dt i m ec o m p a r i n gw i t ht h en o r m a lc o n s t r u c t i o nm e t h o d ．T h e r e f o r e ，t h i s m e t h o dc a ns a f e g u a r dt h es t a b i l i t yo ft h er o a d b e de f f e c t i v e l y ． K e yw o r d s Q i n g h a i T i b e t a nr a i l w a y ；m e l tb e l t ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；p r e c o o l i n gr o a d b e d 青藏铁路沿线大多处于海拔4k m 以上地区， 穿过多年冻土区5 5 0k m ，并且大多属于高温、高含 冰不稳定冻土，自然条件恶劣[ 1 ‘4 ] ．青藏铁路工程成 败的关键是路基，路基稳定的关键是冻土，保护冻 土的关键是负温[ 3 ] ．因此，青藏铁路的修建遵循了 保护冻土的原则，即尽可能维护冻土路基处于负温 状态，如工程采用和试验采用的提高路基高度、设 置保温层、采用碎石路基、通风管路基、抛石护坡、 部分以桥代路等技术措施，国外也采用类似技术措 施维护路基稳定叭} 1 0 3 如果在路堤施工前预先冷却待填筑的路堤土， 减小路堤土在相当一段时间内对下卧路基的热侵 收稿日期2 0 0 4 0 2 1 6 基金项目国家9 7 3 项目 2 0 0 2 C B 4 1 2 7 0 4 ；国家自然科学基金项目 4 0 4 7 1 0 2 1 ；冻土工程国家重点实验室开放基金 S K L F S E 2 0 0 3 0 4 作者简介周国庆 1 9 6 1 一 ，男，江苏省扬州市人，中国矿业大学教授，博士生导师，从事冻土力学与工程、深土力学与工程方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 蚀，减少热收支，保证冻土路基在整个施工及运营 过程中处于负温状况，预冷的路堤土实际上形成了 一个负温热源．该热源将对路堤及路堤以下一定范 围路基土的温度场的演变产生很大的影响，将可能 改变常规施工方法所形成的温度场的演变规律，从 而维护冻土路基的长期稳定．依据这一思路，本文 将对不同预冷时间、预冷温度条件下路基温度场的 变化规律及稳定路基的效果进行分析研究． 1分析模型 1 ．1 模型建立 分析以青藏铁路北麓河地区的试验路段为原 型，铁路路基顶面宽8 ．8m ，底面宽2 0m ，高4 ．9 8 m ，道碴厚0 ．4m ．取分析模型长8 0m ，高3 0m ，如 图1 所示． y 图1 路基横断面 F i g ．1 T r a n s e c to fr o a d b e d 1 ．2 边界条件及参数 青藏铁路典型路段北麓河地区年均最高气温 为1 5 ．0 1 ℃，最低气温一1 4 ．1 6 ℃，月平均气温的 变化如图2 所示．不考虑地面植被影响，气温直接 作为路基表面对流换热的边界；模型两侧为绝热边 界，考虑全球气温升高的影响，下边界按照每年上 升0 ．0 0 05 ℃计． 分析采用的路基和地层材料的热物理参数如 表1 所示． 根据月平均气温变化特征，同时考虑施工的可 行性，分析选择路基的施工时间为4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 和 1 0 月． 月份 a 路基底面以下3m 处 边界气温逐月变化 图2 月平均气温变化 F i g ．2T h ec urveo fm o n t h l y a v e r a g et e m p e r a t u r e 表1 材料的热参数 T a b l e1T h et h e r m a lp a r a m e t e r so fm a t e r i a l s 说明 为导热系数；C 为热容；L 为焓；F 标f 为冻结状态， U 为未冻结状态 为分析土的不同预冷温度对完工后路基温度 场演变的影响，分析选择的预冷温度范围相对较 大，为 5 ～一5 ℃，间隔2 ℃，预冷温度的选择同 时要满足低于当月的平均气温． 2 结果及分析 选择路基中心线上，距离地面以上3m 排除 因气温影响而形成的正温 和路基底面以下3m 的范围 最易受气温影响形成正温土层，也是融化 盘最难消除的地方 为主要分析范围． 2 ．1 路基土最高温度 采用不同预冷温度进行路基的施工，将路基中 心线上土体2 0a 内温度变化中的最大值作为该月 的路基中心线的最大温度值，比较结果汇总如图3 所示． 原始模型 预冷温度 1 ℃p - - , t - - 预冷温度一1 ℃ 苦 - - K - - 预冷温度．3 ℃ 图3 最高温度变化曲线 F i g ．3 T h ec u r v e so ft h eh i g h e s tt e m p e r a t u r e 月份 b 路基中心点处 霸禚镏藕戮㈣溅盖嚣m 缓 5 O 5 O 5 O 5 O 5 D”如”抛”m∞㈨ 万方数据 第6 期周国庆等预冷土对青藏铁路路基温度场演变的影响 由图3 司见 1 原始模型施工对地层的热扰动最强烈，对 路基温度场的影响很大．特别是在夏季高温季节， 常规的施工方法会在路基中及其以下一定范围内， 造成较大范围的正温区[ 4 ] ． 2 采用正低温 1 ℃ 预冷，可以在一定程 度上降低路基中心线上土的温度，但对于路堤下的 正温夹层的作用有限，究其原因主要是热量的损失 会随着深度而增加，同时由于土中水的相变需释放 大量的潜热．尽管路基中的融化盘温度不是很高 0 ℃附近 ，但存在的时间很长． 3 采用负温预冷路堤土，对于尽快消除路基 2 1 对J 童1 翟 底面以下、多年冻土上限以上的土体正温十分有 利．路基底面以下3m 范围的融化夹层常规的施 工方法很难在短期内消除，而采用负温预冷时，在 路堤负温和多年冻土的共同作用下，融化夹层的消 失时间大大提前． 4 在4 月份和1 0 月份，由于有良好的自然气 候条件，原始模型就可以满足使路堤和路堤底面以 下土层处于负温状态的要求． 2 ．2 融化盘消失时间 路基中融化盘消失时间和预冷温度的关系以 及融化盘消失时间和施工开始月份的关系分别示 于图4 中． 碧 1 8 { r g _ i 营 3 0 预冷温度／℃预冷月份 a 融化盘消失时问和预冷温度的关系 b 融化盘消失时间和预冷开始月份的关系 图4 融化盘消失时间曲线 F i g ．4 T h ec u r v e so fd i s a p p e a r i n gt i m eo fm e l tb e l t 从图4 中可见 1 融化盘在预冷温度由正转为负的阶段，内 部温度发生急剧变化，说明正低温预冷和负高温预 冷之间有着巨大的能量差异．由图4 可见一1 ℃ 是曲线的拐点，随后即使采用一3 ℃，一5 ℃预冷 温度对于融化盘消失的时间很难再有更大的贡献， 同时从工程角度考虑，温度降低1 ℃需要付出巨大 的能量，因此最佳预冷温度为一0 ．5 ～一1 ℃． 2 融化盘存在时间最长、影响范围最大是在6 月份施工的路基．这主要是因为6 月自身的地层温 度很高，再加上随后7 ，8 ，9 月份的高气温的不利因 素综合作用的结果． 3 从图4 可以得出4 月和1 0 月是施工的上 佳季节，4 月份是冬季的结束月份，地层中聚集有 大量的冷量，自身就可以平衡施工热扰动的影响； 1 0 月份施工完后，很快进入冬季，寒冷的气候对于 消除融化盘十分有利． 2 ．3 路基横断面等温线演化规律 以原始模型和预冷温度为一1 ℃模型施工后 第2 年和第1 6 年8 月份的路基横断面等温线分析 结果为例 图5 ，从中可以说明预冷的效果． 图5 a 是原始模型在路基施工后第2 年8 月路 基等温线，从中可以看出路基施工对冻土天然上限 的影响，路基中心线位置冻土上限下移约2 ～3m 左右，说明路堤中融化盘温度的降低是以消耗下部 多年冻土的冷量为代价的；同比，图5 b 所示的预冷 路堤中的融化盘要比原始模型小得多． 预测路基施工后第1 6 年8 月时的原始模型路 基温度场分布如图5 c 所示，而预冷土模型的同期 温度场分布示于图5 d 中．即使到了1 6a 后，原型 路基中仍然存在一个融化盘，而采用预冷土施工的 路基中的温度场早就全部进入负温状态．实际上， 采用预冷方法后，路基中的融化盘的消失提前了 1 0a 以上． 图6 是原始地面在路基施工后第1 个月的温 度分布．横坐标表示原来路基与路堤的分界线 水 平方向相对距离 ，纵坐标是温度． 施工后第1 个月，当采用正低温预冷时，原始 地面的温度较高，采用负温预冷时在o ～一5 ℃之 间的差别不大，温度均在0 ℃附近．说明正低温预 冷路堤土对降低路基下部土的温度效果不如负高 温好，其原因是土体相变释放的巨大潜热在施工 初期对温度场的演变影响巨大，当然在工程实施 中形成负高温的土并予以填筑存在有一定的困难， 但是利用土相变潜热影响路基温度场的演变意义 很大． 万方数据 6 1 4 中国矿业大学学报 第3 3 卷 昌 ＼ 瑙 殛 水平距离／m a 原型施工后第2 年8 月 O 要- l O 瑙 聪 - 2 0 ．3 0 0 要l O 髓 蜷 ．2 0 3 0 0 1 02 0 3 04 0 5 0 6 07 0 8 0 水，F 距离／m b 8 月份预冷一l ℃模型施工后第2 年- 8 B 0 1 02 0 3 04 0 5 0 6 07 0 8 0 水平距离／m 水“ l 愀I m c 原型施工后第1 6 年8 月 d 8 月份预冷- l ℃模型施工后第1 6 年8 月 图5 路基横断面温度场分析结果 F i g ．5 T h ea n a l y z i n gr e s u l t so ft e m p e r a t u r ef i e l do fr a i l w a yr e m b a n k e n t 原始模型 一预冷温度．1 ℃一预冷温度．4 ℃ 图6 采用不同预冷温度施工后 第1 个月原始地面温度对比 F i g ．6 S u r f a c eg r o u n dt e m p e r a t u r e so ft h e f i r s tm o n t ha f t e rc o n s t r u c t i o no v e rc h a n g i n g w i t hd i f f e r e n tp r e - c o o l i n gt e m p e r a t u r e s 3 主要结论 1 预冷路堤土对于减弱和消除融化盘是十分 有效的方法． 2 采用负温预冷路堤土的方法，首先可以消 除路基中心存在的融化盘，同时负温路堤和下部的 多年冻土对于尽快消除路基底面以下、多年冻土上 限以上的土体正温是十分有利的．和普通方法相 比，融化盘消失时间提前1 0a 以上．在施工完成后 的前3a ，天然冻土上限迅速上移，提高了5 ～8m ， 十分有利于路堤的长期稳定． 3 由于相变潜热的作用，正低温预冷效果远 不如负高温预冷效果好．但随着预冷温度的降低， 预冷效率并不是线性增加，采用过低的预冷温度是 不经济，也是不现实的，最佳预冷温度为一0 ．5 ～1 ℃内． 4 在4 月份和1 0 月份，由于有良好的自然气 候的条件，原始模型就可以满足使路堤和路堤底面 以下土层处于负温的状态的要求．在夏季高温季节 施工路堤普遍存在有较大的热侵蚀，但是6 月份最 为不利，其融化盘存在时间最长、影响范围最大． 5 路基施工后最重要的时期是施工完成后的 前3a ．因为这3a 是温度场剧烈变化的阶段，同时 也是路堤最容易出现破坏的时期．建议在施工初期 采用本文提出的预冷路堤土或人工制冷等技术措 施，尽管初期投资高，但在随后的时间里逐步显示 其优势，可以确保路基的长期稳定，这一思路尤其 在极不稳定冻土地区路基的施工中更是值得考虑． 参考文献 I - 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J ] ．冰川冻土，2 0 0 2 ， 2 4 5 6 0 1 6 0 7 ． Y uWB ，L a iYM ，N i uFJ ，e ta 1 ．T e m p e r a t u r ef i e l d f e a t u r e si nt h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n to ft h ev e n t i l a t e d r a i l w a ye m b a n k m e n ti np e r m a f r o s tr e g i o n s [ J ] ． J o u r n a lo fG l a c i o l o g ya n dG e o c r y o l o g y ，2 0 0 2 ，2 4 5 6 0 1 6 0 7 ． [ 8 - 1 牛富俊，程国栋，赖远明．青藏铁路通风路基室内模型 试验研究[ J ] ．西安工程学院学报，2 0 0 2 ，2 4 3 1 - 6 ． N i uFJ ，C h e n gGD ，L a iYM ．L a b o r a t o r ys t u d yo n v e n t i l a t i o nd u c tr o a d b e do fq i n g h a i t i b e tr a i l w a y [ J ] ． J o u r n a lo fX i ’a nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y ，2 0 0 2 ，2 4 3 1 - 6 ． [ 9 ]G o r e i n gDJ ，K u m a rP ．C o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ri n r a i l w a ye m b a n k m e n tb a l l a s t [ A ] ．J e a n F r a n q o i sT ． G r o u n d F r e e z i n g2 0 0 0 [ C ] ．R o t t e r d a m B a l k e m a ， 2 0 0 0 ，3 1 3 6 ． [ 1 0 ] J o h nP ，Z a r l i n gPE ，B i l l yC ，e ta 1 ．A i rd u c ts y s t e m sf o rs t a b i l i z a t i o no v e rp e r m a f r o s ta r e a [ A ] ． A g u i r r e P u e n t eJ ．P r o c e e d i n g o ft h e4 t h I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nP e r m a f r o s t [ C ] ． W a s h i n g t o n N a t i o n a lA c a d e m yp r e s s ，1 9 8 3 ，1 4 6 3 一 】4 6 8 ． 责任编辑陈其泰 ] ] ] H 口 口 万方数据