多年凍土地區(qū)青藏鐵路的力學(xué)特性與應(yīng)用

多年凍土地區(qū)青藏鐵路的力學(xué)特性與應(yīng)用

1青藏鐵路的重要性1.1多年凍土鐵路的性質(zhì)在地球上，每年的冷凍土、季節(jié)制土和立即制凍土面積約占土壤面積的50%，其中每年的冷凍土面積占土壤面積的25%。中國是繼俄羅斯、加拿大之后的世界第三大凍土國家。我國多年凍土面積占國土面積的22.4%。在這廣闊的多年凍土地區(qū),蘊(yùn)藏著豐富的礦藏,森林和土地資源。由于資源開發(fā)的需要,多年凍土地區(qū)已成為人類生產(chǎn)和生活的場所。由于凍土中冰的存在決定了寒區(qū)工程建設(shè)獨(dú)有的特點(diǎn),如不采取與一般條件不同的特殊措施和方法,則既可能引起多年凍土地區(qū)工程建筑物運(yùn)行遭受凍害威脅,也可能造成嚴(yán)重的經(jīng)浪費(fèi)。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)重心向西部傾斜,多年凍土區(qū)的大規(guī)模開發(fā)已勢在必行。在國外,凍土學(xué)首先在俄羅斯發(fā)展成為獨(dú)立的科學(xué)。M.B.羅門諾索夫在1757年曾發(fā)表“凍土地”的科學(xué)綜述,對(duì)“凍土地”的形成及其與氣候、地形的關(guān)系提出看法。19世紀(jì)上半葉,已初步獲得西伯利亞凍土層的溫度、厚度、埋藏條件和分布情況等資料。國際上在多年凍土區(qū)修筑鐵路已經(jīng)有了——百多年的發(fā)展史,世界上第一條橫貫西伯利凍土區(qū)的鐵路,自1092年開始興建,到1905年日俄戰(zhàn)爭期間,莫斯科與符拉迪沃斯托克(海參威)之間已經(jīng)開行了直通列車,至今已運(yùn)營了近百年。目前俄羅斯的鐵路網(wǎng)中已有7000km鐵路穿越整個(gè)西伯利亞凍土區(qū)。美國、俄羅斯、加拿大、北歐等國由于多年凍土地區(qū)工程建設(shè)的需要,在20世紀(jì)40年代以后對(duì)凍土性質(zhì)、分布、凍土與建筑物的關(guān)系等進(jìn)行了大量的研究,并成功地在多年凍土地區(qū)建成了一批重要建筑物,諸如輸油管道、鐵路、公路、礦山、水電站、房屋建筑等。美國陸軍部寒區(qū)研究與工程實(shí)驗(yàn)室、俄羅斯運(yùn)輸工程研究院、莫斯科大學(xué)、阿拉斯加大學(xué)、卡爾加利大學(xué)、瑞典巖土工程研究所、日本低溫研究所、俄羅斯科學(xué)院西伯利亞凍土研究所等科研院所是國外凍土研究的主要力量。這些在高緯度凍土區(qū)修筑的鐵路有成功的經(jīng)驗(yàn),也有失敗的教訓(xùn),但都在不同程度上推動(dòng)了人們對(duì)凍土問題的研究,加深了人們對(duì)凍土性質(zhì)的認(rèn)識(shí)。應(yīng)該指出的是這些高緯度凍土與高原凍土在性質(zhì)上還有一定的區(qū)別。在我國,20世紀(jì)50年代中就大體確認(rèn)了東北地區(qū)多年凍土分布的南北區(qū)間。針對(duì)青藏公路的高原凍土問題,中科院冰川凍土所、交通部第一公路勘察設(shè)計(jì)院及青海省公路設(shè)計(jì)院等單位從60年代起就進(jìn)行了一系列的研究。70年代初,隨著西藏經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求,以及青藏高原特殊地理環(huán)境條件給道路工程所帶來的不良因素,開始了青藏公路的砂石路面改為黑色瀝青路面的改建工程建設(shè),對(duì)青藏公路沿線的多年凍土開展了試驗(yàn)研究,針對(duì)在多年凍土地區(qū)修筑高級(jí)路面的青藏公路所急需解決的技術(shù)難題,進(jìn)行了路基、路面、橋涵及房建等與凍土之間相互作用的研究,特別是水熱和力學(xué)過程、各類工程建筑物基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和各種適應(yīng)高原寒冷環(huán)境條件的路面、路基結(jié)構(gòu)等的研究更加深入。在90年代主要研究重點(diǎn)為以下方面:路基下多年凍土的融化深度、多年凍土頂板埋深、路基下高含冰量凍土、厚層地下冰在垂直與水平方向的分布規(guī)律、凍土島與融區(qū)的準(zhǔn)確分布界限、路基下的溫度場分布以及其變化趨勢、不同凍土類型與路基之間的相互作用以及適應(yīng)性等等。在這些方面的研究,不論是廣度、深度和精度的要求都比以前有較大提高。1.2青藏鐵路凍土地區(qū)的自然條件針對(duì)青藏鐵路的高原凍土問題,鐵道部于1960年成立了青藏高原鐵路科學(xué)技術(shù)研究所(西北分院凍土研究室前身),對(duì)凍土鐵路工程技術(shù)開展了全面、系統(tǒng)的研究工作,經(jīng)過路內(nèi)外有關(guān)科研、設(shè)計(jì)部門的共同努力,取得了一定的研究成果。青藏鐵路的科研工作從1960年開始,由中科院冰川所、鐵道部高原所和路內(nèi)有關(guān)高等院校聯(lián)合對(duì)昆侖山至唐古拉山青藏公路沿線多年凍土區(qū)的自然環(huán)境和凍土特征進(jìn)行了全面考察,并由鐵道部高原所在風(fēng)火山地區(qū)建立了凍土定位觀測站,為開展凍土工程系統(tǒng)深入的研究打下了基礎(chǔ)。在1963年至1972年的10年間,鐵道部科學(xué)研究西北研究所、鐵道部第一勘測設(shè)汁院和中科院冰川凍土所緊密合作,開展了高原氣象、多年凍土地溫場、凍土熱學(xué)、凍土力學(xué)等凍土基本性質(zhì)和參數(shù)的試驗(yàn)研究.在風(fēng)火山大東溝坡地修建了試驗(yàn)路塹、地下冰地段自埋式擋墻等試驗(yàn)工程,聯(lián)合開展了凍土地區(qū)路基、橋涵、房屋基礎(chǔ)、隧道、給排水等工程項(xiàng)目研究,取得了一定的成果。青藏高原是世界上面積最大、海拔最高的高原,地理位置獨(dú)特,自然環(huán)境惡劣,地質(zhì)條件復(fù)雜,素有“世界屋脊”和“地球第三極”之稱。青藏鐵路格位段將穿越約550Km多年凍土地段,九度地震區(qū)超過100Km,全線海拔高程大于4000m的地段約965Km,在唐古拉山越嶺地段,線路最高海拔為5072m,為世界鐵路之最。高原、凍土和環(huán)保問題是青藏鐵路建設(shè)的三大難題,其特殊性和復(fù)雜性在世界鐵路史上獨(dú)一無二。青藏鐵路格拉段北起青海省格爾木市,南至西藏自治區(qū)首府拉薩,全長1100多公里,近百分之九十的區(qū)段均在海拔4000m以上。其中,北起西大灘,南至安多,長約550Km的鐵路線均位于高原多年凍土地區(qū),全區(qū)海拔4500m以上,宏觀屬高準(zhǔn)平原地貌。除昆侖山北坡地勢較險(xiǎn)外,其余山系相對(duì)高差一般均小于300m。見圖1。鐵路穿過的高原地區(qū)氣候寒冷,絕對(duì)最高氣溫23℃左右,絕對(duì)最低氣溫在-34℃-41℃,年平均氣溫在-2℃～-7℃之間,結(jié)冰期一年內(nèi)長達(dá)七八個(gè)月;氣壓低,約為560～600毫巴;多年凍土年平均地溫大部分在-1.0℃～5.0℃左右。降水以固體為主,多集中在6、7、8月,年總降水量一般在400mm左右。由南向北逐漸減少。全區(qū)內(nèi)多年凍土異常發(fā)育(最大厚度可達(dá)200m左右)。區(qū)內(nèi)厚層地下冰廣泛分布,冰錐、冰丘、沼澤化濕地、熱融滑坍和熱融湖(塘)等不良凍土現(xiàn)象大量存在。除地表水發(fā)育的少數(shù)地區(qū)外,植被分布稀疏,呈荒漠草原景觀。高山寒凍風(fēng)化作用明顯,對(duì)工程的凍害和融沉破壞程度,非一般季節(jié)凍土地區(qū)所及。青藏鐵路由于地處高原的特定環(huán)境,高海拔是它的顯著特點(diǎn),使得與之相聯(lián)系的高原地質(zhì)地理、水文地質(zhì)、大氣物理等狀況均有著其特殊的發(fā)生、發(fā)展及其變化過程,這些過程共同制約著這一高海拔的多年凍土地區(qū)。沿著青藏高原主要山系的走向發(fā)育著規(guī)模巨大的斷裂帶,高原構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,呈現(xiàn)山地、斷陷盆地及谷地交互分布的地貌。青藏鐵路多年凍土區(qū)段穿越了青藏高原昆侖山系、唐古拉山系等主要山系,即從西大灘開始,翻越昆侖山埡口,通過楚瑪爾河高平原、可可西山區(qū)、秀水河和北麓河盆地、風(fēng)火山山地、烏麗山地、沱沱河盆地、開心嶺山地、溫泉斷陷谷地、最后翻越唐古拉山埡口、經(jīng)頭二九山至安多。其間既有河漫灘地、高平原、也有山地、斷陷盆地及谷地,地形地貌千姿百態(tài)。全線最高點(diǎn)在唐古拉山公路埡口西側(cè)35Km處,海拔5072m。在青藏高原多年凍土地區(qū)建設(shè)鐵路畢竟是從未實(shí)踐過的新的技術(shù)領(lǐng)域,隨著幾十年來自然條件和氣候的變化、科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展、科研成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累,我們對(duì)自然和凍土的認(rèn)識(shí)也在不斷的加深,七十年代以前我們認(rèn)為高原凍土是發(fā)育的,而目前現(xiàn)狀是隨著全球氣溫升高,高原凍土呈退縮趨勢;七十年代以前研究重點(diǎn)側(cè)重于凍土腹部地帶的高含冰量凍土,但青藏公路整治的情況表明,凍土區(qū)邊緣地帶即高溫凍土地帶各類工程病害多于低溫凍土地帶;過去確定一個(gè)路基臨界高度來涵蓋全線,現(xiàn)在看來必須按不同地溫分區(qū)和土質(zhì)及氣候條件來考慮路基合理高度;現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展及新材料、新工藝的不斷出現(xiàn),為防治各類工程凍害提供了新的手段,有必要對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用研究。所以青藏鐵路格拉段的修建仍帶有很強(qiáng)的探索性、科研性;為了將青藏鐵路格拉段建成“快速、高質(zhì)量、高可靠、世界一流的高原鐵路”,盡快取得高原多年凍土區(qū)鐵路設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn),先行試驗(yàn)段的建設(shè)具有不可替代的重要意義。青藏鐵路作為中國21世紀(jì)初“四大工程”之一,縱貫西部青海、西藏兩省區(qū),跨越青藏高原,是一條具有重要戰(zhàn)略意義的鐵路。這一特殊的寒區(qū)環(huán)境和工程凍土地質(zhì)條件給該地區(qū)鐵路路基的設(shè)計(jì)和施工增加了很大的難度,同時(shí)高海拔條件對(duì)運(yùn)營期間路基的養(yǎng)護(hù)維修也將提出極大的挑戰(zhàn)。及時(shí)地對(duì)這些問題進(jìn)行研究并提出對(duì)策是非常必要的。2高原多年凍土地區(qū)土工設(shè)計(jì)的基本原則近年來隨著全球氣候變暖和人類工程活動(dòng)的加劇,改變了土體與大氣的熱交換條件,從而使得地一氣相互作用的產(chǎn)物——凍土的溫度場發(fā)生變化,導(dǎo)致多年凍土的冰一水、地溫等平衡狀態(tài)發(fā)生變化,多年凍土退化問題逐漸引起人們的重視,凍土環(huán)境與工程環(huán)境間的相互作用成為目前研究工作的主流。在全球氣候變暖,多年凍土受到影響、退化日趨嚴(yán)重的背景下,如何更經(jīng)濟(jì)地修筑高原多年凍土區(qū)的鐵路和有效地保證多年凍土地區(qū)工程的穩(wěn)定性,是當(dāng)前國內(nèi)外研究中急需解決的課題。高原多年凍土地區(qū)的土工設(shè)計(jì),應(yīng)結(jié)合地形、地貌、不良地質(zhì)現(xiàn)象、氣溫、地溫、上限埋深、潛水賦存等因素來選擇。綜合考慮應(yīng)遵循以下三項(xiàng)原則:即在使用年限內(nèi),始終保持人為上限以下的多年凍土處于凍結(jié)狀態(tài)。即在使用年限內(nèi),控制多年凍土逐漸融化或局部融化,使變形及融化深度均在允許范圍內(nèi)。即在使用年限內(nèi),預(yù)先融化或清除多年凍土,并將融化后的水分疏干。正確選擇設(shè)計(jì)原則,是為了確保土工結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。而土工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的核心是其熱穩(wěn)定性。衡量多年凍土熱穩(wěn)定性最重要的能量指標(biāo)是多年凍土的年平均地溫Tcp,它的量值和變化是區(qū)域氣候、氣溫變化在凍土層中最直接的響應(yīng)。因此必須首先確定大氣環(huán)境的狀態(tài)演變。其次,要對(duì)凍土進(jìn)行分帶或分區(qū)以確定設(shè)計(jì)適用原則。第三,由上述前提確定需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。這里將主要討論關(guān)鍵技術(shù)問題。2.1青藏鐵路病害根源青藏鐵路建設(shè)中高原凍土路基工程技術(shù)的關(guān)鍵問題是解決路基的凍脹、融沉以及長期穩(wěn)定問題。作為建筑物,在青藏高原這種特定的環(huán)境地質(zhì)條件下,不可避免的長期處于大氣一活動(dòng)層一多年凍土系統(tǒng)的水熱相互作用之中,加之高原日溫差大和氣候巨變的特點(diǎn),使得水、熱、力的共同作用不斷變化著,這正是凍脹與融沉等路基病害的根源。長期的工程實(shí)踐表明,青藏鐵路成敗在關(guān)鍵在路基工程,而路基工程的關(guān)鍵是凍土問題。路基工程是青藏鐵路格拉段數(shù)量最大的工程,已建成的凍土區(qū)鐵路、公路工程都表明,路基處理不當(dāng),會(huì)產(chǎn)生大量的病害,比較突出的是融化下沉,路堤縱裂,凍脹隆起等,嚴(yán)重的危及行車安全,總結(jié)國內(nèi)的凍土區(qū)路基工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),控制高原多年凍土區(qū)路基的融沉,消除凍脹,關(guān)鍵技術(shù)問題在于以下幾個(gè)方面。2.1.1路基高度的確定高原多年凍土區(qū)路堤合理高度與路堤填料性質(zhì)及斷面形式、邊坡朝向、地表面性質(zhì),基底天然地層的物理、熱物理性質(zhì)及當(dāng)?shù)氐臍鉁?、地溫等諸多因素有關(guān),根據(jù)不同的地層、不同的填料、地溫研究確定路基的合理高度,達(dá)到既滿足路基工程的安全可靠,又使工程造價(jià)合理的目的。2.1.2凍土溫度及水分特性路基沉降的預(yù)測是至關(guān)重要的設(shè)計(jì)指標(biāo),凍土區(qū)路基的沉降受各種因素的制約。工程建筑物穩(wěn)定性的最終表現(xiàn),實(shí)際上是建筑物的變形問題,而控制凍土的溫度和水分特征,使其不受環(huán)境和人類活動(dòng)的影響,最終保持工程建筑物的穩(wěn)定性,是控制變形的核心。通過觀測不同凍土土質(zhì)、含水量和填料的路基在不同時(shí)期的沉降量(含地基融沉),得到路基變形的時(shí)空變化并研究變形(沉降)的計(jì)算方法非常必要的。2.1.3主要的工程措施多年凍土天然熱狀況和地下冰及其工程影響是影響路基穩(wěn)定性的最為重要的因素,選用何種路基結(jié)構(gòu)、以保護(hù)凍土不致退化是工程設(shè)計(jì)的主導(dǎo)原則。如能找到冷卻地基的方法,即采取各種主動(dòng)的保護(hù)多年凍土的措施,盡量使得路基下伏多年凍土上限不下降將是非常有意義的·根據(jù)熱穩(wěn)定調(diào)控原理,其中主要的工程措施有:1)調(diào)控對(duì)流,即通過路基結(jié)構(gòu)形式強(qiáng)制土體產(chǎn)生對(duì)流效應(yīng),有效利用自然冷能資源來保護(hù)多年凍土。如通風(fēng)管、拋石護(hù)坡和塊碎石互層通風(fēng)路基等。2)改變土體熱傳導(dǎo)過程。如熱樁(棒)、路基鋪設(shè)保溫材料、改變路基高度等。3)調(diào)控輻射方式。如改變路基表面顏、在路基頂部和路基邊坡鋪設(shè)遮陽棚和遮陽板等,以減少到達(dá)地面的太陽輻射。2.1.4結(jié)構(gòu)的特性分析考慮到多年凍土凍脹融沉的固有屬性,為適用土體在凍脹過程中的力學(xué)特性,利用擋護(hù)結(jié)構(gòu)輕型、柔性和拼裝的特點(diǎn),從理論上來說,可以起到很好的防護(hù)效果。首先,其柔性變形的卸載特點(diǎn)適應(yīng)于凍脹融沉的交替變形過程;其次,其輕型預(yù)制拼裝化特點(diǎn)適應(yīng)降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少對(duì)凍土的熱干擾的需要:第三,由于結(jié)構(gòu)是預(yù)制拼裝的,其所需場地較小,對(duì)施工現(xiàn)場周邊環(huán)境的影響程度也就較小,植被破壞的可能性也不會(huì)很大。因此,這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,對(duì)于環(huán)境保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)高原多年凍土區(qū),設(shè)計(jì)出輕型、柔性、拼裝化擋護(hù)結(jié)構(gòu),以取得技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理和降低施工勞動(dòng)強(qiáng)度的效果,滿足機(jī)械化施工的要求。如L型擋墻、加筋土護(hù)坡等。2.1.5相結(jié)合材料在巖土工程領(lǐng)域的研究近年來,新型的保溫材料、土工合成材料和改良土體技術(shù)不斷應(yīng)用在巖土工程領(lǐng)域,研究這些材料在青藏高原多年凍土地區(qū)路基中的適應(yīng)性以及在保溫、防水、防滲,隔斷及保證高路基穩(wěn)定性等方面的效果和相應(yīng)的橫斷面結(jié)構(gòu)形式是必要的。2.1.6結(jié)構(gòu)形式及受力情況“跳橋”問題的解決路橋過渡段的縱向平順過渡問題在一般鐵路中就很突出,凍土區(qū)受凍融影響,路基、路塹過渡帶和“跳橋”問題更嚴(yán)重,有必要對(duì)路基、路塹過渡帶和路、橋過渡帶的結(jié)構(gòu)形式及受力情況尤其是動(dòng)載荷的情況下的變形狀況進(jìn)行研究。通過對(duì)低路堤及零斷面處新型保溫材料的應(yīng)用試驗(yàn)及橋路、涵路過渡帶的路基填料、保溫材料和土工合成材料的試驗(yàn)研究,尋求減小路基凍融變形的工程措施。2.1.7爆破質(zhì)量測試凍土爆破開挖存在鉆孔難、成孔難、留孔難等問題。通過研究爆破快速施工方案、施工程序、鉆孔技術(shù)、裝藥技術(shù)、爆破技術(shù)和防凍、防水技術(shù),選擇合適的炸藥品種、起爆器材。2.1.8路基填土和夯實(shí)的研究研究路塹快速開挖季節(jié)、支護(hù)技術(shù)、回填和夯實(shí)季節(jié)以及方法;研究路堤填土和夯實(shí)季節(jié)以及方法;試驗(yàn)研究利用凍土作路基填料的可行性,以及取土位置的選擇;研究路基施工質(zhì)量控制要求、機(jī)械選型、機(jī)種配套和快速施工的技術(shù)。,從而提高效率。保證質(zhì)量和降低成本。2.2橋臺(tái)凍脹傾斜,但表面仍嚴(yán)重不足多年凍土區(qū)橋涵工程經(jīng)多年實(shí)踐,病害區(qū)已大大減輕,但橋臺(tái)凍脹傾斜,錐體凍脹破壞,涵洞融沉塌腰的現(xiàn)象在公路、鐵路工程仍大量存在。針對(duì)上述問題的關(guān)鍵技術(shù)可概括為以下方面。2.2.1應(yīng)用試驗(yàn)研究金屬波紋管涵自重輕、施工簡單、對(duì)地基熱擾動(dòng)小,適應(yīng)變形力強(qiáng),在國外多年凍土區(qū)應(yīng)用較多,有必要對(duì)其在青藏高原的適應(yīng)性和施工技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用性研究。主要試驗(yàn)研究內(nèi)容包括:金屬波紋管圓涵材料的選用;圓涵周邊荷載壓力的試驗(yàn)研究;圓涵基礎(chǔ)形式及材料的試驗(yàn)研究;最大、最小填土高度的試驗(yàn)研究,試驗(yàn)填土級(jí)配、密實(shí)度等參數(shù)對(duì)涵管受力和變形的影響;結(jié)構(gòu)防腐,防磨蝕的試驗(yàn)研究;主要施工方法及機(jī)具設(shè)備的應(yīng)用試驗(yàn);工程沉降、變形觀測。2.2.2施工強(qiáng)度試驗(yàn)研究研究涵洞的拼裝化設(shè)計(jì),施工技術(shù),以加快施工速度、減少對(duì)凍土的擾動(dòng)、減少涵洞凍融病害和降低施工勞動(dòng)強(qiáng)度。主要試驗(yàn)研究內(nèi)容包括:拼裝式基礎(chǔ)應(yīng)用試驗(yàn);基礎(chǔ)埋深的試驗(yàn)研究;框架箱涵鋼筋綁扎、混凝上澆筑的試驗(yàn)研究;沉降縫材料防水、防凍脹性的研究;各類涵洞沉降、變形觀測;研究冰塞對(duì)涵洞類型、孔徑的影響;試驗(yàn)研究出入口結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)造防凍措施:研究各類涵洞的適應(yīng)性。2.2.3主要試驗(yàn)研究內(nèi)容樁基具有較高的水平和垂直承載能力,受地質(zhì)影響小,施工機(jī)械化程度高,對(duì)地基熱擾動(dòng)小,擾動(dòng)時(shí)間短,很適合于多年凍土區(qū),但也存在地溫混凝土問題、鉆孔頸縮和孔壁滑塌問題、以及施工季節(jié)問題。主要試驗(yàn)研究內(nèi)容包括:鉆孔機(jī)具設(shè)備的應(yīng)用試驗(yàn);灌注和插入樁側(cè)表面凍結(jié)力的測定;灌注和插入樁承載力的測定和計(jì)算方法確定;鉆孔過程及混凝土硬化過程對(duì)地基土的熱擾動(dòng)和回凍時(shí)間的測定;混凝土灌注方法的研究;插入樁側(cè)回填材料選用試驗(yàn)研究和回填凍結(jié)力的測定;不同地基條件下鉆孔灌注樁和插入樁的適應(yīng)性試驗(yàn)及施工方法的確定。2.2.4洞穴門凍脹破壞的試驗(yàn)研究多年凍土區(qū)涵洞工程經(jīng)多年實(shí)踐,病害區(qū)已大大減輕,但洞門凍脹破壞的現(xiàn)象在公路、鐵路工程仍大量存在。主要試驗(yàn)研究內(nèi)容包括:研究不同地溫下保溫材料的選用及施工方法;小橋涵出入口變形觀測及保溫效果評(píng)定。2.2.5試驗(yàn)研究內(nèi)容針對(duì)高原施工期較短的特點(diǎn),開展低濕條件下早強(qiáng)、防腐、阻銹,耐久混凝土及添加劑的研究。主要試驗(yàn)研究內(nèi)容包括:在不同地溫下根據(jù)侵蝕指標(biāo)及混凝土標(biāo)號(hào)確定添加劑材料以及配比;混凝土強(qiáng)度及抗凍融指標(biāo)試驗(yàn):混凝土硬化工程中的水化熱測定:混凝土耐腐蝕及抗凍融試驗(yàn);鋼筋混凝土中鋼筋的阻銹試驗(yàn);低溫早強(qiáng)、防腐阻銹和耐久混凝土施工中的保溫、保濕技術(shù)和施工工藝。2.2.6凍土地區(qū)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)凍土區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震問題過去研究的還很少,隨著青藏鐵路的建設(shè),這個(gè)問題受到了人們的關(guān)注。凍土地區(qū)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析,關(guān)鍵在于如何確定凍土的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。其次,通過計(jì)算融土場地和凍土場地條件下結(jié)構(gòu)的反應(yīng),研究不同高度的橋墩和不同凍土厚度條件下橋墩自由場地的應(yīng)力分布的一般性規(guī)律以及橋墩在不同條件下的應(yīng)力和位移狀態(tài)。2.3隧道關(guān)鍵技術(shù)研究我國的在高原凍土區(qū)隧道工程實(shí)踐較少,據(jù)嫩林線、牙林線凍土區(qū)隧道工程運(yùn)營現(xiàn)狀調(diào)查,主要病害為寒季漏水掛冰、冰漫道床,冰楔作用造成襯砌開裂破壞,隧道排水工程寒季凍結(jié),給運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)維修造成困難,高原地區(qū)隧道施工更加困難,目前青藏線格拉段隧道工點(diǎn)的高程均為國內(nèi)之最,因此確定關(guān)鍵技術(shù)并解決是非常必要的。2.3.1新型洞門結(jié)構(gòu)的研究隧道洞口往往是產(chǎn)生病害的薄弱環(huán)節(jié),尤其當(dāng)洞口工程位于凍土現(xiàn)象發(fā)育地段時(shí),受凍融影響最大,會(huì)產(chǎn)生一系列熱融滑坍,影響施工和運(yùn)營安全。為確保洞口穩(wěn)定,防止洞門開裂,需進(jìn)行洞口邊仰坡熱穩(wěn)定分析和防護(hù)措施的研究,并結(jié)合洞口凍土保護(hù)措施進(jìn)行新型洞門結(jié)構(gòu)的研究。同時(shí)觀測洞口工程的變形、溫度和凍融的變化規(guī)律。2.3.2凍融圈結(jié)構(gòu)的測量多年凍土地區(qū)隧道在建成后,由于氣溫等外界條件的影響,襯砌背后的多年凍土?xí)纬梢粋€(gè)凍融交替的融化圈,使襯砌結(jié)構(gòu)處在凍脹力往復(fù)作用的不利環(huán)境中。往往造成襯砌嚴(yán)重開裂甚至破壞。因此.需對(duì)凍融圈的動(dòng)態(tài)變化、凍脹力的大小進(jìn)行測試分析,以確定合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及斷面形式。同時(shí),開挖面暴露后,凍土易發(fā)生熱融失穩(wěn),造成圍巖剝落、滑坍,為適應(yīng)凍土的這種特點(diǎn),需要研究相應(yīng)支護(hù)形式和措施。2.3.3防排水體系不完善隧道防排水和防凍害是多年凍土地區(qū)修建隧道遇到的難題之一,我國在多年凍土地區(qū)及嚴(yán)寒地區(qū)較為普遍地存在著襯砌凍脹開裂、酥碎、剝落、水溝凍堵和隧底冒水、道床凍害等病害,嚴(yán)重威脅行車安全。固此,多年凍土地區(qū)隧道應(yīng)有完整的、有效的防排水體系,避免凍害發(fā)生。同時(shí)觀測結(jié)構(gòu)和防排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變形、滲水情況,評(píng)價(jià)其抗凍、防水效果。2.3.4專用風(fēng)機(jī)的研制現(xiàn)有隧道通風(fēng)是以長隧道通風(fēng)方式為基礎(chǔ),全壓高、功率大,僅用于隧道施工中的排煙、降塵。在空氣稀薄的高原及嚴(yán)寒條件下,常規(guī)通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)造成風(fēng)機(jī)啟動(dòng)困難、故障多和效率低等問題。應(yīng)針對(duì)青藏高原高寒的特點(diǎn),制定適合的通風(fēng)方式和使用合適的通風(fēng)系統(tǒng),研究專用風(fēng)機(jī);同時(shí)展開加溫預(yù)熱進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)、洞內(nèi)施工防寒保溫系統(tǒng)及洞內(nèi)施工供氧系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。2.4青藏鐵路生態(tài)保護(hù)重點(diǎn)保護(hù)的生態(tài)環(huán)境作為“世界第三級(jí)”的青藏高原多年凍土地區(qū)的環(huán)境演變必然影響到全球環(huán)境。目前的人類工程活動(dòng)已影響到青藏高原凍土環(huán)境和生態(tài)環(huán)境。青藏高原獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境和高原凍土區(qū)凍土環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的相互依附關(guān)系,構(gòu)成了青藏鐵路建設(shè)環(huán)境保護(hù)問題的特殊性和重要性。主要保護(hù)內(nèi)容包括生態(tài)環(huán)境保護(hù)、凍土環(huán)境保護(hù)和與生態(tài)環(huán)境和凍土環(huán)境緊密相關(guān)的水土保持。根據(jù)上述內(nèi)容,比如開展高原多年凍土區(qū)植被營造技術(shù)試驗(yàn)研究、高原太陽能房屋結(jié)構(gòu)和模塊拼裝化房屋試驗(yàn)研究等工作都是非常有意義的。3工程試驗(yàn)研究在鐵道部科技司、鐵道第一勘測設(shè)計(jì)院的領(lǐng)導(dǎo)下,在青藏公司、總指和工程單位的大力配合下,蘭州交通大學(xué)參加了青藏現(xiàn)已開工的四個(gè)試驗(yàn)段涉及橋涵、隧道、路基等10余項(xiàng)試驗(yàn)課題工作。包括青藏線常用跨度橋梁抗震性能分析研究;昆侖山和風(fēng)火山隧道低溫早強(qiáng)耐久混凝土技術(shù)應(yīng)用研究;清水河試驗(yàn)段橋梁樁基的應(yīng)用試驗(yàn)研究(涵蓋鉆孔灌注樁、插入樁和抗拔樁);清水河拼裝式涵洞應(yīng)用試驗(yàn)研究;清水河小橋涵出入口鋪砌保溫材料的試驗(yàn)研究;北麓河L型擋墻試驗(yàn)研究;北麓河加筋土路基邊坡柔性防護(hù)試驗(yàn)研究;沱沱河段橋梁鉆孔灌注樁試驗(yàn)研究;沱沱河土工格室路基邊坡柔性防護(hù)試驗(yàn)研究;凍土區(qū)砼灌注樁樁周地基土回凍時(shí)間和承載力形成規(guī)律的研究;青藏鐵路多年凍土路基沉降變形特點(diǎn)的試驗(yàn)研究;青藏鐵路安多凍土沼澤化濕地地基處理試驗(yàn)研究等。這里主要簡介我們參加項(xiàng)目的相關(guān)力學(xué)問題,僅供各位代表參考。3.1結(jié)構(gòu)-地基土一體化在考慮結(jié)構(gòu)-地基相互作用問題時(shí),應(yīng)注意到天然地基是無限延伸的,地基能量將向無窮遠(yuǎn)處逸散。在數(shù)值計(jì)算中如何正確有效地模擬無限地基的能量輻射作用,是決定能否更精確的模擬地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,即在數(shù)值分析中如何模擬分析體系的邊界條件。建筑在不同場地的橋墩結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析,主要有在模型外邊界施加各種人工透射邊界解決能量向無限遠(yuǎn)輻射的波動(dòng)分析方法;以結(jié)構(gòu)為主體,地基的作用通過相互作用力求解的相互作用分析方法;以及在外邊界施加不同邊界條件的慣性力方法?？紤]多年凍土的土層性質(zhì)和場地條件,可應(yīng)用粘-彈性邊界模擬波向無窮遠(yuǎn)輻射的結(jié)構(gòu)-地基土一體化計(jì)算方法。同時(shí),采用將輸入地震動(dòng)轉(zhuǎn)化為作用于人工邊界上的等效荷載的方法來實(shí)現(xiàn)波動(dòng)輸入。這種一體化模型實(shí)際上考慮了結(jié)構(gòu)-土相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響,可以求解豎向和橫向介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)不均勻平面內(nèi)波動(dòng)問題,簡稱二維波動(dòng)法。分別計(jì)算融土場地和凍土場地條件下結(jié)構(gòu)的反應(yīng),通過比較便可分析凍土層對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)各種凍土情況,采用子空間迭代法對(duì)自由場地進(jìn)行了自振特性分析,得到自由場地的基本周期?；鶐r地震動(dòng)可選取El-centro、Kobe加速度以及青藏鐵路線上50年超越概率10%當(dāng)曲河特大橋(簡稱DQHQ10,見圖1)、朗布曲河大橋(簡稱LBQHQ10)場地基巖地震動(dòng)時(shí)程。通過分析計(jì)算可以得到如下結(jié)論:1)由于凍土層的存在,自由場地表面的加速度峰值趨于減小。2)與融土情況相比,凍土層的存在,使橋墩的地震反應(yīng)有減小的情況,也有增大的情況,這與輸入波和橋墩的特性有關(guān)。但總的趨勢是凍土層的存在,使橋墩的地震反應(yīng)趨于減小。3)對(duì)于凍土地震區(qū)的普通橋梁,由于不考慮凍土層一般是偏于安全的,故可以不考慮凍土層的影響。而對(duì)于重要橋梁,為了保證其抗震安全性,應(yīng)考慮凍土層的影響。3.2抗拔樁的長期抗剪強(qiáng)度根據(jù)抗拔樁樁身截面形式的不同,可以將其分為兩類:等截面抗拔樁和擴(kuò)底抗拔樁?？拱纬休d力都是由樁周土體的抗剪強(qiáng)度來提供的。在多年凍土地區(qū)凍土的抗剪強(qiáng)度與許多因素有關(guān)(例如土體的負(fù)溫、外壓力與荷載的作用時(shí)間等)。凍土的負(fù)溫越高,抗剪強(qiáng)度也越高。在荷載的長期作用下,由于凍土的“蠕變”特性,其抗剪強(qiáng)度降低很多,一般長期抗剪強(qiáng)度僅為瞬時(shí)抗剪強(qiáng)度的1/10—1/15。在工程設(shè)計(jì)中我們應(yīng)使用其長期抗剪強(qiáng)度。在抗拔樁的設(shè)計(jì)計(jì)算中一般均先假設(shè)好剪切破裂體(面)的形狀,然后依據(jù)不同的破壞形狀就可以計(jì)算出各自所對(duì)應(yīng)的極限抗拔承載力。其實(shí),對(duì)于一定條件下抗拔樁,不可能同時(shí)存在多個(gè)破裂面。因此,如何確定給定問題的破裂面就成為研究抗拔樁問題的關(guān)鍵,確定了破裂面形狀也就決定了抗拔樁的極限承載力。至于傳力機(jī)理,等截面樁有著明顯的摩擦樁的性質(zhì),即在拉拔荷載較小時(shí),樁頂?shù)母浇幍膬鼋Y(jié)力最先發(fā)揮作用,在其達(dá)到最大值后,荷載開始向下傳遞直至樁底。在此過程中,樁頂附近樁土的凍結(jié)力由于裂縫的發(fā)展和樁土間相對(duì)位移的增大而逐漸降低。與等截面樁不同,擴(kuò)底樁上拔時(shí)的樁側(cè)摩阻力之發(fā)揮與樁端擴(kuò)大頭頂上地基土受擠壓變位而引起的土抗力之發(fā)揮是遠(yuǎn)非同步的。通常樁側(cè)摩阻力先達(dá)到它的極限值,而此時(shí)擴(kuò)大頭上方的土抗力尚只達(dá)到其極限值的很小一部分。特別樁長較長者更是如此。此外,在擴(kuò)大頭頂部以上一段樁身側(cè)壁上,因擴(kuò)大頭的頂住而不能發(fā)揮出樁一土的相對(duì)位移,從而該段上側(cè)摩阻力的發(fā)揮也受到了限制,設(shè)計(jì)中通常忽略該段上的側(cè)摩阻力。總體來說,兩種類型樁的傳力機(jī)理和破壞形式有著明顯的不同,擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的破壞形態(tài)更加復(fù)雜多變且受很多因素的影響,但如果設(shè)計(jì)得當(dāng)其抗拔承載力較等截面樁會(huì)有很大的提高且材料的用量增加很少3.3基樁回凍規(guī)律新建青藏鐵路格拉段穿越多年凍土區(qū)長達(dá)550km,沿線遇到不同類型的多年凍土,修建了大量的橋梁工程,為保證橋梁工程的安全,多年凍土區(qū)的橋梁基礎(chǔ)大多采用了鉆孔灌注樁的形式。在過去近3年的時(shí)間中,結(jié)合工程的建設(shè),選擇了有代表性的多年凍土區(qū)(段)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)及理論研究,就多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的施工方法、凍土層在混凝土澆筑后融化及回凍規(guī)律、樁側(cè)凍結(jié)強(qiáng)度與樁周地溫的關(guān)系、基樁的承載力與變形性質(zhì)等問題展開研究。下面做一簡述:(1)同類型凍土區(qū)(段)大直徑鉆孔灌注樁的回凍規(guī)律問題。多年凍土區(qū)大直徑鉆孔灌注樁的回凍與承載力密切相關(guān)。不同類型凍土區(qū)中的鉆孔灌注樁的回凍規(guī)律呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。由于地下水的作用、施工擾動(dòng)及樁身混凝土澆筑后輸入的大量水化熱對(duì)樁周土體產(chǎn)生影響。在不同的凍土區(qū)樁周土層的地溫在樁身混凝土澆筑后34天內(nèi)急劇升高,造成樁周土體的融化,但其后的回凍規(guī)律又呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。如低溫凍土區(qū)(年平均地溫小于-3.0℃)鉆孔灌注樁在樁身混凝土澆筑7天后即出現(xiàn)負(fù)溫(即使在夏季),而且地溫下降梯度很大,及樁身混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)(28天),樁壁地溫已接近天然地溫。融區(qū)與多年凍土區(qū)過渡帶段,混凝土澆筑后110天基樁周圍地基土不能回凍,該段多年凍土在局部區(qū)域內(nèi)凍土不復(fù)存在,同時(shí)也說明融區(qū)和多年凍土過渡帶段凍土層較為脆弱,施工對(duì)該地區(qū)凍土層的賦存環(huán)境影響是很大的,基樁的回凍成為不可逆的過程。橋梁基礎(chǔ)群樁施工中,由于樁間距較小,造成局部區(qū)域的地溫升高,而且工程樁與試樁相互影響,造成回凍過程緩慢。(2)區(qū)與多年凍土區(qū)過渡帶夏季、冬季不同地溫條件,下大直徑鉆孔灌注樁的承載性質(zhì)問題。通過融區(qū)與多年凍土區(qū)過渡帶冬季和夏季兩次現(xiàn)場試驗(yàn),樁側(cè)摩阻與地溫呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性,比較試樁的分段側(cè)摩阻值可知,多冰凍土層的樁側(cè)凍結(jié)強(qiáng)度發(fā)揮值相差近1倍,其它地層的樁側(cè)摩阻夏季較冬季相差20%～50%。(3)高溫細(xì)顆粒不穩(wěn)定區(qū)基樁未回凍條件下大直徑鉆孔灌注樁的承載性質(zhì)問題。夏季進(jìn)行大直徑鉆孔灌注樁(樁徑為1.25m、樁長為14.7m)的施工并進(jìn)行現(xiàn)場基樁試驗(yàn),當(dāng)樁身混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí),荷載試驗(yàn)表明此時(shí)基樁的承載力很低,殘余變形量較大。第二次加載試驗(yàn)至4800kN時(shí)的平均側(cè)摩阻值為68.9kPa,樁端阻為735.3kPa。說明隨著樁周土及樁底土地溫的降低樁側(cè)阻及樁端阻有較大的發(fā)揮,但此時(shí)相應(yīng)的沉降量為13.92mm,殘余沉降量為9.90mm,已不能滿足工程的要求。說明高溫細(xì)顆粒不穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行大直徑鉆孔灌注樁的施工,待基樁回凍前不宜使基樁承受荷載,即不宜進(jìn)行后續(xù)施工,樁土體系在未回凍時(shí)承載力是較小的。(4)地下厚層冰段大直徑鉆孔灌注樁的承載力與變形性質(zhì)問題?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明,樁側(cè)摩阻的發(fā)揮隨樁周土層的風(fēng)化程度及地溫狀態(tài)呈現(xiàn)出迥異的特征:隨著泥灰?guī)r風(fēng)化程度的減弱,樁側(cè)摩阻值增大。如深度為10-11m的樁段,風(fēng)化泥灰?guī)r在樁頂荷載為6000kN時(shí)的樁側(cè)摩阻值為407.19kPa;該值當(dāng)然也與地溫狀態(tài)有關(guān)。(5)大直徑鉆孔灌注樁的水平承載性質(zhì)問題。地基系數(shù)值與樁的剛度、土性、位移值的大小、荷載大小等許多因素有關(guān)。在多年凍土區(qū)大直徑鉆孔灌注樁夏季水平載荷試驗(yàn)中,三個(gè)試驗(yàn)場地的試驗(yàn)結(jié)果均較為合理,得到的m值介于19600kPa/m2～29000kPa/m2之間,處于設(shè)計(jì)規(guī)范的取值范圍。3.4樁的承載力和樁土厚度鉆孔插入樁的承載力受回填材料和工藝的影響很大。樁周回填粘土砂漿回凍過程由于水份向樁表面遷移形成冰膜降低樁的承載能力,用砂回填搗固不密實(shí)也會(huì)使承載能力降低,而振動(dòng)充填砂漿,可提高凍結(jié)強(qiáng)度50%,由于受孔底條件影響,使樁尖支承力不能發(fā)揮,而孔底的清理往往因地下水發(fā)育或坍孔不能抽干,泥漿沉孔底,或者打樁時(shí)將松土擠入孔底。因此樁的承載力比鉆孔打入樁、鉆孔灌注樁低20～30%。此外,凍土對(duì)樁的凍結(jié)強(qiáng)度和樁尖處的凍土的承載力與土的顆粒組成凍土的含冰狀態(tài)有關(guān)。并隨凍土溫度降低而增高。這和凍土的抗剪抗壓強(qiáng)度一樣。從實(shí)測分析中可以看出,當(dāng)荷載較小時(shí)荷載主要由樁上部凍結(jié)力承擔(dān),樁底反力占荷載比例很小。隨荷載增加樁底反力所占比例逐漸增加。荷載接近極限時(shí)凍土上限附近發(fā)生應(yīng)力松馳,樁側(cè)下部剪應(yīng)力與樁側(cè)壁阻力的共同作用狀態(tài)取決于荷載的大小和作用時(shí)間,也與樁周樁底土的變形特性及沉樁方法有關(guān)。在極限荷載作用下樁底反力占荷載3～27%。3.5墻后土壓力考慮到多年凍土凍脹融沉的固有屬性,為適用土體在凍脹過程中的力學(xué)特性,利用L型支擋結(jié)構(gòu)輕型、柔性的特點(diǎn),從理論上來說,可以起到很好的防護(hù)效果。首先,其柔性變形的卸載特點(diǎn)適應(yīng)于凍脹融沉的交替變形過程;其次,其輕型預(yù)制拼裝化特點(diǎn)適應(yīng)降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少對(duì)凍土的熱干擾的需要;第三,L型擋土墻是預(yù)制拼裝的,其所需場地較小,對(duì)施工現(xiàn)場周邊環(huán)境的影響程度也就較小,植被破壞的可能性也不會(huì)很大。因此,這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,對(duì)于環(huán)境保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在多年凍土地區(qū)設(shè)計(jì)擋土墻的截面尺寸,關(guān)鍵是確定設(shè)計(jì)荷載,而這里的設(shè)計(jì)荷載主要就是定量的確定土壓力或是凍脹力。20年來,無論是公路還是鐵路,有關(guān)多年凍土地區(qū)的支擋結(jié)構(gòu)資料都非常少,尤其是實(shí)際工程的土壓力實(shí)測資料。為了全面了解墻后土壓力的分布特性,結(jié)合青藏鐵路格拉段北麓河試驗(yàn)段目前唯一的支擋結(jié)構(gòu)措施,對(duì)墻背及假想墻背處的土壓力進(jìn)行了測定。和常規(guī)庫侖理論的不同分析模式(假想墻背、第二破裂面和能量守恒模式等)計(jì)算值相比,墻背與假想墻背處的一個(gè)凍融循環(huán)周期的實(shí)測土壓力遠(yuǎn)大于理論土壓力。也大于《規(guī)范》水平凍脹力值,見表1。經(jīng)過前述理論分析及實(shí)測結(jié)果分析,可以發(fā)現(xiàn),在多年凍土區(qū),如果借用一般庫侖土壓力理論分析設(shè)計(jì)擋土