基于地温场的多年冻土区铁路路基设计理论研究

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1、基于地温场的多年冻土区铁路路基设计理论研究姓名：张国光学号：班级：硕士1208班1．前言冻土的特殊性主要是因为冻土的物理性质、化学性质和工程特性都与温度密切相关。常规土的性质主要受其颗粒的矿物成分、密度、含水量的控制，这些因素一旦确定，土的性质就基本稳定。土的性质多表现为静态特性，冻土则不然，冻土特性除了与上述因素有关外，还受含冰量的控制，而含冰量又直接与温度相关，它是随着温度变化而改变的。冻土性质随温度呈现动态变化，因此，冻土的特性集中体现为它是一种对温度十分敏感而且性质不稳定的土体。随土体温度状态的变化，冻土具有不同的工程特性。中国的多

2、年冻土面积占国土面积的22.3%，在世界上占第三位，其中高海拔多年冻土面积则居世界之最。多年冻土及其特殊工程性质给工程建设带来了显著影响，其中铁路路基设计理论研究是最值得关注的问题之一。目前由于全球升温致使多年冻土呈退化趋势,多年冻土地区路基的热稳定性受到了广泛地关注。基于地温场的设计理论研究是铁路路基工程设计理论研究的组成部分之一，确保路基长期稳定是多年冻土区铁路路基设计理论研究需解决的关键问题。2.多年冻土区铁路路基病害2.1多年冻土区铁路路基病害主要形式（1）融沉。融沉是指土中过剩冰融化所产生的水排出，以及土体融化固结引起的地面局部向

3、下运动的现象，是自然或人为因素改变了地面的温度状况，引起融化深度加大，使地下冰或多年冻土层发生局部融化所致。（2）冻胀。一般情况下，在低温冻土区，活动层厚度一般较小，且存在双向冻结，冻结速度较快，故冻胀相对较轻。而在高温冻土区，活动层厚度一般较大，冻结速度也较慢，冻胀较为严重。（3）冰锥、冰丘。在寒季流出封冻地表或封冻地面的地下水或河水，冻结后形成的丘状隆起冰体称为冰锥。在寒季地面冻结，地下水受地面和下部多年冻土的遏阻，在薄弱地带冻结膨胀而把地表抬起形成的隆起土丘，称为冰丘。（4）热融坍塌。由于自然营力或人为活动，破坏了有地下冰分布的斜坡第

4、23页共23页（一般横坡大于30）热平衡，使地表土体在重力作用下沿融冻界面呈牵引式位移而形成的滑坍称为热滑坍。（5）热融沉陷和热融湖（塘）。由于自然营力或人为活动，破坏了多年冻土（或地下冰）的热平衡，使地表下沉所形成的凹地或积水凹地。（6）冻土沼泽。多年冻土层地表因受积雪及地表水的影响，在平坦与低洼地形成沼泽。因沼泽中长有喜水植物及覆盖有泥炭层，保护了多年冻土，形成了隔水层，使地表长期积水或出于潮湿状态。2.2多年冻土区铁路路基病害形成机理冻土环境对冻土的影响是缓慢的，渐进的逐渐积累的过程，在冻土环境渐进变化的过程中，冻土工程的变化也是缓慢

5、而渐进的，冻土工程病害最终都是通过温度对水分的影响发生的，水的相变潜热特征延缓了多年冻土剧烈退化的可能，也就减少了冻土工程发生突变灾害的可能性。冻土环境的改变和工程结构中发生病害的是一个量变到质变的过程，有害因素的积累最终会演变成工程的病害，这种积累的消散和根治，须从冻土环境指标，尤其是地温场特征值的初始变化阶段开始进行监测和分析研究。线路变化的工程表现主要是变形，冻土区工程结构的变形由冻胀和融沉变形组成，这种变形发生在季节融化层内和土体冻融过程有关，发生在多年冻土层内则和冻土融变变形有关，两种情况都和地基土体温度场有关。与冻土区线路变化具

6、有关联性的温度场形态、温度特征值主要有：(1)冻土路基工程人为上限处（季节融化层底面）温度年平均值(2)路基工程特殊界面（如片石气冷路基的下界面）温度年平均值(3)不同深度土体的传热状态特征，主要通过温度—深度地温曲线和年平均温度—深度曲线反应(4)路基地温场状态，指路基地温场等温线的对称形态及其发展趋势冻土问题对线路的影响，主要是温度和水分因素的介入使得路线的力学性质的表现变得长期和缓慢。路线本身的温度变化在水分的影响下，滞后于环境温度的变化，深部温度滞后于浅部温度，水分的相变特征使冻土区的线路变化力学表现滞后于热学表现。第23页共23页

7、冻土区线路工程发生的病害一般都是以工程变形为外观特征，工程变形有垂直方向的沉降变形和水平方向的张拉变形，纵向和横向变形的差异最终表现为线路的纵向不平顺和横向张拉裂缝，张拉裂缝还会因为变形差异而裂开甚至滑塌，形成严重病害。所有线路工程病害的发生及其诱发特征都与冻土区工程地温场的一些特征变化相关。(1)地温—深度曲线表现的线路变化趋势土体沿深度的地温变化曲线形态是内部和外部条件热力交换过程的真实写照，它反映了冻土层的生成环境、存在环境和发展趋势。对于线路工程来讲，它是线路工程修建后工程措施长期效果的对比标志。冻土层在其生命的不同时期地温曲线状态

8、在不断变化，这种变化提供了冻土层演变过程的信息；线路工程修建后，这种变化提供的是冻土层在各类路基结构作用下冻土状态演变的信息。它提供的是过程结构的长期有效性。这种冻土地温场及其状