中俄原油管线穿越了多年冻土区及季节性冻土区,沿线冻土分布研究对于管线安全营运具有重要的意义。通过地表温度模型获得边界条件,并利用ANSYS软件模拟了不同研究区段下的管道冻土温度场。研究结果表明:对于年平均地表温度为-1℃的区段,管道油温对管道周围温度场影响半径约3 m,油温振幅对管道上下侧土层温度影响不同。距离管道中心2.45 m处和10 m处的冻土上限与油温振幅也存在响应关系。

近年来青藏高原冻土区的路基容易发生融沉现象,究其原因,全球变暖、冻土的季节性变化和人为因素等因子都是导致这种现象的根源。为了青藏铁路的运营安全,对处于岛状多年冻土区的变形路基,通过片石护坡和热棒相结合的方式进行补强。文中根据青藏铁路长期观测系统数据,对路基变形原因,结合路基两侧的天然孔和人工孔进行了路基变形程度、地面孔地温曲线、路基两侧的融化进程曲线等数据分析。结果显示:通过上述治理工程措施,岛状冻土区的冻土人为上限有所抬升,路基本体趋于稳定;由于路基自重和行车荷载等因素作用下路基产生蠕变,从而导致路基发生沉降。

在全球气候变暖的背景下,青藏铁路沿线多年冻土目前处于退化状态,冻土退化将会对线路的稳定性产生影响,为解决这一问题,收集青藏铁路沿线多年冻土区冻土上限的观测数据,并比较2007年和2015年的数据,分析填土路基断面冻土上限特征,探讨减缓路基工程变形的工程措施。结果表明:青藏铁路多年冻土区填土路基人为上限有所抬升;由于线路存在左右侧阴阳坡的差异,致使两侧路肩以下人为上限形态差异性更加明显,并且冻土升温退化显著;对于青藏铁路多年冻土区路基,在工程边坡铺设碎石有助于应对气候变化引起的多年冻土退化导致的路基工程变形问题。

根据青藏铁路长期监测系统地温观测资料,选取2个典型路堑监测断面,研究路堑地段多年冻土不同深度处地温、多年冻土人为上限变化特征和地温演化规律。结果表明:青藏铁路路堑地段天然状态下多年冻土处于升温退化状态,地表以下2. 5 m处升温速率约为10. 0 m处的2. 5～3. 0倍,多年冻土自上而下的退化趋势明显;在全球气候变暖影响下,青藏铁路路堑地段地基多年冻土人为上限埋深均加深,多年冻土发生退化,且路堑堑底人为上限变化与天然孔基本一致; 2个断面左右侧堑底较天然场地地基多年冻土升温速度快,退化更严重,且左右侧差异极为明显。

在环境温度季节性变化的条件下进行室内模拟试验,探索了模拟冻土路基活动层形成的试验方法,研究了青藏高原多年冻土区路基活动层的形成活动规律。试验表明:活动层从初始形成到基本稳定过程中,近地表土层对外界温度场的变化响应灵敏,随外界温度的改变出现规律的波动;深层土层对外界温度的变化表现出滞后性,温度曲线波动幅度较小;活动层在趋于稳定的过程中土层的温度特征呈现出较为明显的区域相似性,在一定外温影响范围内土层温度场变化规律接近;在环境负温的初期表层土层迅速降温,活动层厚度开始逐渐减小。受外界气温及深层冻土冷源作用的共同影响,活动层冻结过程中会出现从上下边界同时冻结的现象,加快了活动层的冻结速度。

该文以青藏铁路多年冻土路基为依托,通过现场测温和地质雷达探测等手段,分析了多年冻土区各种典型路基的人为上限形态特点,提出了青藏铁路多年冻土区各种典型路基人为上限形态分类。研究发现:青藏铁路路基受路基填高、结构形式、走向坡向等因素的共同影响,主要形成3种形态的路基人为上限:A型、B型和C型。A型人为上限面升入堤身形成对路基基底稳定有利的冻土核;B型人为上限面升高至基底原天然地面附近;C型人为上限比天然上限有所上升,但未上升至基底地表附近,仍在原天然地层季节活动层范围内。

结合片石气冷加碎石护坡组合路基、片石气冷路基、碎石护坡路基、热棒路基及普通素土路基等结构形式地温和变形的现场监测数据,对青藏铁路多年冻土区路基人为上限的变化规律、形态特点和类型进行分析。结果表明,青藏铁路多年冻土区路基的人为上限形态类型为人为上限升入路基本体的A型和人为上限升入基底土层中的B型,且路基人为上限的变化已基本趋于稳定;随着时间的推移,路基的沉降也逐渐趋稳;路基累计沉降量与路基高度成正比而与人为上限的上升值成反比。

初始温度场采用实测温度场,相应的物理参数通过实测地温数据用有限元方法反演得到,计算结果的可靠性由实测数据验证。用这种方法对3种结构形式4个实测断面的青藏铁路多年冻土区清水河试验段路堤的人为上限和融化夹层进行了数值模拟分析。计算结果表明,从人为上限形态及融化夹层范围和面积两方面来看,相同路堤高度情况下,片石通风—碎石护坡组合路堤优于片石通风路堤,而片石通风路堤优于普通路堤;对于同类型的路堤,高路堤优于低路堤。这种不同路堤结构形式的优劣性排序,可为多年冻土区路堤设计提供理论依据和技术支持。

结合青藏铁路实际工程及有关测试数据的研究结果表明:青藏铁路多年冻土区路堤人为上限的主要影响因素依次为气温与年平均地温、填料类别、路堤高度、坡向与风、施工季节等。气温对路堤人为上限的影响是通过路堤表面温度的向下传播实现的;年平均地温作为一个冷源,在下方自下而上对人为上限也起着一定的影响作用。粗颗粒土作为填料可以满足路堤人为上限抬升的基本传热学条件;合理高度范围内,路堤高度与人为上限抬升值之间正相关;东西走向的路堤易于形成上凸型不对称的人为上限,南北走向的路堤易于形成上凸型对称的人为上限。暖季施工的路堤在基底地层中形成了高温夹层,影响了路堤地温场的恢复。

研究目的:随着西部大开发的推进,我国在青藏高原地区修建了青藏铁路等工程,青藏公路的改建工程最近也在展开,这两条线路穿越了550km的多年冻土区。青藏铁路路基自2001—2002年修完以来已有五六年的时间,从2006年7月开始试运营到现在也有将近2年的时间了。笔者在2007年8月底和9月初对青藏铁路格拉段多年冻土区路基状况作了一个全面的调查,在调查中发现了不少问题,其中路堑的问题最为突出。研究结论:依据这次调查中病害严重断面,以K1115断面和K1128断面为重点分析断面,结合2008年3、4月份调查的钻孔的水文地质资料和多年冻土地区的特殊环境,判断人为上限形态,依据冻土强度室内试验和经验公式,对路堑边坡进行稳定性分析,指出路堑边坡病害的病因和提出防护措施。