为了定量研究斜坡渗流对冻土区公路路基温度场的影响,建立了考虑相变和水分对流传热的冻土导热数值模型,对青藏公路斜坡路基温度场进行了数值模拟,研究了不同土质、不同斜坡坡度水分对流对冻土路基温度场的影响。结果表明:活动层水分渗流对冻土路基的影响主要表现为人为上限下降以及深部冻土的升温,水分渗流对路基下坡脚、路基中心的影响最为显著;浅地表导水系数越高、坡度越大,水分流动对温度场影响越大;对于浅层地表渗透性高(Ks>4×10-7 m·s-1)、含水量接近饱和且坡度较大(>10%)的斜坡路段路基,水分渗流对冻土路基稳定性影响不可忽略。

为研究青藏铁路高温高含冰量斜坡润湿地段路基稳定性,在青藏铁路K1139+940处开展地温、变形监测,分析路基地温、变形特征,建立温度、水分与变形耦合方程,预测斜坡水分运移对路基温度和变形的影响。结果表明:(1)斜坡路基阴阳坡效应明显,阳坡年平均温度比阴坡高2.5℃以上;(2)路基运营初期,左路肩下冻土上限下降、地表升温,而右路肩下上限抬升、温度降低,温度场的横向非对称分布导致明显的路基横向变形差异;(3)活动层水分渗流对路基阳坡下部温度和变形影响最明显,路基中心次之,阴坡最小,水分渗流加速了路基的升温和变形过程、加剧了路基温度场和变形的非对称分布;(4)斜坡路基运行50 a后,斜坡路基下部含土冰层全部融化、路面最大横向变形差异达到18 cm。对于含水量较高的斜坡地段,水分渗流对温度场和变形的影响不可忽略。

为研究冻土区工程水热分布规律,基于不饱和土Richards方程推导出了冻土水热变化的耦合关系式。应用有限差分原理进行离散化,编制计算程序,对中俄输油管道漠大线进行模拟。通过模拟结果与实测数据对比验证了应用模型计算程序的可靠性。应用程序分别对冻土区路基与埋地管道的水热分布变化进行模拟分析。对于冻土区斜坡路基:冻土斜坡路基的融化界面随时间增加而逐年降低,融化界面与水分富集层位置相近,均呈倾斜分布,影响斜坡路基的稳定性。对于冻土区埋地管道:管道长期运营加剧其周围多年冻土上限下降,管道附近10年后的下降约为天然情况下的4倍。

从力学相似性的角度进行多年冻土斜坡路基失稳变形离心模型试验,分析最大融深状态下冻土斜坡路基土层性质、高度以及地基坡度对其稳定性的影响规律,研究冻土斜坡路基失稳变形特性、失稳机制及模式,将片石路基与普通路基进行对比分析。试验结果表明,冻土斜坡路基土层力学性质、路基高度和地基坡度对其稳定具有显著影响,路基的变形在冻融交界面发生骤变,变形主要集中在冻融交界面之上的土层;在本试验条件下,多年冻土斜坡路基合理高度约为5 m;当斜坡路基高度为5 m时,地基坡度大于1:6,路基横向变形迅速增大;冻土斜坡路基的沉降和横向变形表现出较大的不均匀性,冻土斜坡路基变形失稳的根本原因是冻融交界附近软弱带的抗剪强度不足,阳坡冻融交界面之上的土层沿软弱带滑移破坏;路基破坏可分为浅层开裂破坏、深层开裂破坏和整体滑移破坏3种;冻土斜坡片石路基的水平位移和沉降明显小于普通路基,片石路基具有较好的整体稳定性。

从力学相似性角度对处于最大融化深度时的冻土斜坡路基进行离心模型试验,获得冻土斜坡路基的失稳变形特性、影响因素及失稳原因。通过天然冻土斜坡的现场试验结果验证基于力学相似性的离心模型试验方案的合理性及试验结果的可靠性。试验结果表明:冻土斜坡路基发生失稳的根本原因是软弱带的抗剪强度不足,致使路基发生较大变形;冻土斜坡路基的变形主要集中在冻融交界面之上的浅层土体,变形骤变点在冻融交界面附近;滑裂面贯穿活动层后沿着冻融交界面;在本试验条件下,合理的路堤中心高度为4.0～5.0 m。

通过对青藏铁路安多试验段多年冻土斜坡路基3年变形监测,分析斜坡路基水平位移与竖直沉降的特征:在路基填筑后第一年斜坡路基变形较大,阴阳坡变形存在明显差异,随着斜坡路基趋于热稳定,其变形速率逐渐减小,变形趋于稳定。利用极限平衡理论研究斜坡路基在设置土工格栅和不设置土工格栅两种工况下的稳定性,计算得出其稳定性系数均大于1.2,每年10月斜坡路基稳定性系数最小,设置土工格栅能有效提高斜坡路基的稳定性。

多年冻土区斜坡路基的稳定性关系到青藏线格拉段的运营畅通。为研究地震荷载对多年冻土区斜坡路基稳定性的影响,根据现场钻孔及室内土工试验土层参数,针对多年冻土区典型斜坡路基工点,考虑地震荷载作用下,采用边坡稳定性动力分析方法,对有车和无车2种工况,进行了无加固措施情况及抗滑桩情况的稳定性分析和对比研究,明确了抗滑桩提高冻土区斜坡路基稳定性的效果,建议使桩伸入到稳定岩土层下的长度不小于总桩长的1/3,以满足抗滑桩设计和稳定性的要求,为青藏线多年冻土路基加固的设计、施工等提供参考。

青藏铁路多年冻土斜坡段路基稳定性对铁路长期运营具有潜在的威胁,分析评价当前和未来斜坡路基稳定性可指导路基工程的正确设计和施工,从而保证铁路的安全运营。多年冻土地温变化使斜坡路基稳定性分析不同于普通土路基,其冻融交界面位置是制约斜坡路基稳定性的关键所在。通过对安多试验段3 a来的地温监测,分析路基地温变化规律,并预测了未来50 a内试验段地温的变化趋势,建立了当前和未来条件下的斜坡路基稳定性模型,计算分析了斜坡路基的稳定性。通过上述研究,取得以下认识和结论:(1)铁路路堤的填筑,引起多年冻土温度场重分布;由于坡向不对称和几何不对称,使得地温场存在不对称;(2)依据冻融界面位置和活动层的地温特征将冻土路基划分为4个不同时期,即冬季严寒期(1～2月)、春夏融化活动期(3～8月)、最大融深期(9～10月)及回冻活动期(11～12月);通过计算对比分析,每年最大融深期的稳定性系数最小;(3)数值分析的预测结果表明,20 a以后,安多段试验段路基的多年冻土完全退化,在所预测的第10年最大融深期稳定性系数最小。

青藏铁路安多试验段位于青藏高原腹地多年冻土区内,地形成10°20°的斜坡。地层条件为粉质黏土、含土冰层和泥岩。路基设计时采取了3种工程措施确保斜坡路基的稳定。在试验段内设置3个测试断面,其中在热融滑塌区内2个,区外1个。每个断面布置6个测温孔、4个冻胀板、4根竖向测斜管。对2004至2006年共3年的监测数据分析可知:路基填筑后形成的人为上限改变了天然边坡的水文条件;水平位移主要发生在人为上限以上的土体,其界面为潜在滑移面。利用极限平衡法进行斜坡路基稳定性计算,结果表明,没有设置土工格栅的冻土斜坡路基在达到最大融化深度时,其稳定性系数最小。

多年冻土地温变化使斜坡路基稳定性分析不同于普通土路基,其冻融交界面位置是制约斜坡路基稳定性的关键所在。通过对安多试验段3 a来的地温和变形监测,分析路基地温变化规律和变形特征,并计算预测了未来30 a内试验段地温的变化趋势,建立了当前和未来条件下的斜坡路基稳定性模型,并利用改进极限平衡法和规范法(不平衡推力法)计算分析了斜坡路基的稳定性。通过上述研究,取得以下认识和结论:①铁路路堤的填筑,引起多年冻土温度场重分布;由于坡向的不对称和几何不对称,使得地温场存在不对称,从而导致路基左右两侧沉降变形的差异;②路基的水平位移主要发生在路基人为上限以上土体,试验表明冻融交界面为斜坡路基的潜在滑移面;③利用改进极限平衡法和规范法计算斜坡路基稳定性系数约为1.19,须对其进行加固处理,如不对称设置热棒、下游埋设抗滑桩和加宽路基等;④数值分析的预测结果表明,第20年后,安多段试验段路基的多年冻土完全退化,在所预测的第10年最大融化期稳定性系数最小。