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原文传递青藏铁路冻土区路基病害分析和整治技术研究

论文题名：	青藏铁路冻土区路基病害分析和整治技术研究
关键词：	温度场;变形;冻土路基;病害分析;整治技术;片石;气候变化;青藏铁路
摘要：	青藏铁路建设已经在2006年7月1日建成通车，冻土区路基自2001年开始进行试验工程施工，2002年进行全面施工并在2003年暖季末基本完工以后，大多数路基工程已经经历了3个完整的年际冻融循环过程，并经历了铺轨以后2年的工程实践考验。冻土区路基地温场和变形数据的分析表明，建设阶段冻土区路基工程质量普遍良好，路基工程趋于稳定，目前路基状态满足设计速度的要求。但是未来全球性的气温变化趋势将会改变多年冻土的生存能量条件，依存环境气温条件的主要路基工程结构如片石气冷路基和热棒路基的热交换过程、热交换效果都会随之发生缓慢变化。这样就给青藏铁路冻土区工程的运营提出新的问题，即路基稳定性变化趋势和路基病害预警问题，随之而来的问题还有病害整治技术问题。本文首先从影响冻土区路基工程稳定性的环境气温、冻土地温、冻土含冰量等主要因素入手，对青藏铁路多年冻土区的工程地质条件进行了针对性分析，并根据影响冻土区路基工程稳定性的主要地质条件将工程所处环境条件分为气温地温均低、气温高地温低、气温地温均高三类，通过对冻土区路基工程修建经过三个冻融循环过程以后地温场和变形数据的分析，并在此基础上对未来气温升高背景条件下不同类型地段主要路基结构地温场变化趋势进行了数值模拟计算，提出了冻土区路基工程病害预测预警综合体系的概念。作者认为冻土区路基工程稳定性和病害分析综合评价体系应该包括施工建设期和运营期两个时间段，这个综合体系的内容包括： 1.在环境温度变化背景下，深化认识青藏铁路多年冻土，以“冷却地基土体”为核心的设计思想及采用工程措施的科学性评价 2.施工建设期：通过地温场观测数据和变形数据分析，评价工程活动对冻土的热扰动影响范围和影响周期和路基工程结构热交换过程冷却地基土体的效果。运营期：工程环境变化(地表、水文地质等)对多年冻土及路基工程影响评价，通过长期观测系统典型地温和变形数据评价运营期路基基底多年冻土热状况发展趋势，结合数值计算分析评价路基工程稳定性发展趋势。 3.冻土区路基工程病害标准：根据设计速度对铁路轨道平顺性要求确定路基变形的标准，从而确定了冻土区路基病害标准，由于路基变形的发生与路基土体论述过程密切相关，因而路基地温场在一定程度上决定了路基变形的发生、发展，所以地温特征是预测预警路基病害的主要依据。根据以上观点，作者对目前冻土区路基工程病害发生潜在地段的工程地质条件、路基工程稳定性发展趋势进行了分析评价，并对今后可能发生的病害类型、整治方法进行了初步研究，认为：冻土区路基病害最终是以工程变形的形式表现出来，病害的潜在发生和发展是以路基地温场特征显现的。冻土区路基稳定性发展趋势判断主要依赖于路基地温场形态特征的变化，这种变化主要通过冻土区工程长期观测形态的观测数据对以下特殊地温特征变化进行分析：根据对不良冻土环境引发的路基工程病害的论述，可以得知这类病害问题的核心是热融和冻胀作用通过水分表现出来的工程变形和位移。预警问题关键在于对地表冻土现象(冰锥、冰丘、热融洼地、热融湖塘、热融边坡)来源及发展趋势的观测，对有可能危及路基的这些冻土现象提前引导或阻止其向路基本体侵蚀。对路基纵向和横向一定范围内，自然地质营力对地形地貌的改变和发展趋势，或者非冻土原因路基基底土体的力学稳定性的变化，热融活跃地段宏观热融作用对路基病害的影响，这些都要通过宏观观测及土体力学性质化验来判断。冻土区路基工程病害整治从根本上讲是路基地温场的控制，从表现上是对路基有害工程变形的抑制。冻土区路基病害整治技术应该包括施工期预防性技术，潜在期控制技术和显现期整治技术。本文通过对路基土体冷生过程及其对路基变形影响的研究，认为在冷生过程的各个阶段，控制发生冻融循环变化的土层厚度，从而控制路基阶段变形量，缩短路基稳定过程；调控冷生过程最终结果，使路基地温场形态对称，从而减少变形差异；使路基人为上限尽量抬升，控制多次冻融循环过程中路基变形总量，降低冻土温度，减少路基长期变形。这些是冻土区路基病害整治的技术关键。作者通过对工程观测数据分析及建立在工程观测基础上的数值计算预测结果综合研究，认为在青藏铁路建设过程中，从抬升多年冻土上限、校正地温场形态(上限形态)、抵御气温升高保证路基稳定性的角度，有效的预防冻土区开裂变形病害的有效措施是片石层+片石护坡复合路基结构、片石层路基和片石护坡路基。但是在开通运营以后条件下整治路基开裂病害的合适措施是片石护坡路基、片石护道(片石层基础上加宽或一般路基加护道)路基结构。这一点已经为目前青藏铁路开通运营以后整治路基开裂病害的实践所证明。
作者：	李建军
专业：	自然地理学(冻土工程)
导师：	赖远明;张鲁新
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
学位年度：	2006
正文语种：	中文