冻土区桥梁桩基监测预测系统研究

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：青藏铁路自通车以来，各类冻土工程状态相对保持稳定，但是，经过青藏铁路现场调查表明，多年冻土区部分路桥过渡段不均匀沉降现象还是较为严重的。为了探究冻土区路桥过渡段差异沉降的机理，下面将结合影响冻土区路桥过渡段差异沉降的三个主要因素进行分析。而全球气候的变暖，首先会使多年冻土上限下移，即导致多年冻土的退化，从而影响路桥过渡段的沉降趋势。

青藏铁路自通车以来，各类冻土工程状态相对保持稳定，但是，经过青藏铁路现场调查表明，多年冻土区部分路桥过渡段不均匀沉降现象还是较为严重的。这种较大的沉降差给列车平稳运行带来严重的安全隐患。为了探究冻土区路桥过渡段差异沉降的机理，下面将结合影响冻土区路桥过渡段差异沉降的三个主要因素进行分析。

（1）气候对多年冻土的影响

近100多年来，全球平均气温经历了两次波动，其变化为“冷—暖—冷—暖”的过程，总体呈现上升的趋势。由于近1个世纪以来人类大量使用矿物燃料，排放大量的温室气体，从而加剧了全球气候的变暖。其结果是冰川及冻土的消融，海平面的上升，全球降水量的重新分配等，不仅生态平衡遭到破坏，还威胁到人居环境。我国青藏高原的气候变化亦呈现出变暖的大趋势，对冻土工程的稳定性将产生不利的影响。

多年冻土上限有天然上限和人为上限之分。所谓天然上限，是天然条件下多年冻土层上部界面的埋深；而人为上限是在工程建筑的影响之下，多年冻土层上部界面的埋深。多年冻土上限与年平均气温有密切的关系，表现为在不同的年平均气温下，有不同的地表冻结和融化指数，以及有不同的多年冻土上限埋置深度。而全球气候的变暖，首先会使多年冻土上限下移，即导致多年冻土的退化，从而影响路桥过渡段的沉降趋势。

太阳辐射是地球表面的主要能量来源，太阳辐射到地面后，一部分被地面吸收（即吸收辐射），同时有一部分被地面反射（即反射辐射）。太阳辐射热量可作为清洁能源来为人类利用，同时对建（构）筑物也会产生不同的影响。由于太阳辐射，会使建筑结构内部出现较大的温差，从而产生了较大的应力，严重时可导致结构开裂。太阳辐射热量对青藏高原的多年冻土也会产生影响，可用式（7-30）所示的平衡方程表征地面能量守恒关系：

式中，Qd——地面辐射平衡（辐射差额），kcal/cm3；

　　　Qi，Qs——分别为太阳直射辐射和散射辐射，kcal/cm3；

　　　Qi+Qs——太阳总辐射，kcal/cm3；

　　　α——地面反射率；

　　　Qe——地面有效辐射，亦即地面长波辐射与大气逆辐射之差，kcal/cm3；

　　　L——水的蒸发潜热；

　　　E——水分蒸发量；

　　　P——湍流交换耗热；

　　　ΔW——融雪耗热；

　　　A——地面热流（热通量）。

其中湍流交换耗热量P可用式（7-31）计算：

式中，α——地面与大气之间的热交换系数；

　　　Ts——地面温度；

　　　Ta——大气温度。

在青藏高原，太阳总辐射和净辐射均很高，因此对冻土的稳定性会产生不利影响。路面太阳辐射的反射系数与路面颜色的深浅有密切关系，水泥混凝土路面的反射系数是沥青路面的2.4～2.6倍；亦即在相同太阳辐射强度之下，沥青路面能够吸收更多的太阳辐射能量，当然其下伏冻土层也更容易受到热扰动而退化。

在冻土地区路基工程中，由于太阳辐射的影响，向阳面和背阳面所吸收的辐射能量不同，将造成阴、阳面冻土地基温度不同，从而在阴、阳面出现不同程度的沉降。另外，对于嵌入冻土层中的建（构）筑物基础，其周围冻土接收太阳辐射而产生温度场的变化，进而影响地基的承载力，在含水（冰）量较高的地区，会使其承载力下降；同时，太阳辐射对冻土区建筑物基础，如桩基础的沉降亦会产生影响。

在设计时，往往对气候异常的考虑不够，对于重大工程而言，考虑气候异常的影响有着深远的意义。所谓重大工程，是关系到一个国家或地区国计民生的生命线工程。在以往的重大工程中，有个别工程在气候异常情况下暴露出了严重的问题，主要反映在其规划、设计、管理等方面。例如新安江水库，在设计时因未能考虑水库下泄水量和潮汐消长，于1978年旱灾期间，出现了海水大量倒灌现象，使杭州市遭到了重大损失；再如嘉陵江流域1997年发生大旱，而导致下游无法航行，如此诸多的问题都反映出对气候异常的不够重视。青藏铁路是中国新世纪四大工程之一，是实施西部大开发战略的标志性工程，亦是我国具有标志性的重大工程。青藏铁路沿线的地质情况非常复杂，多年冻土的分布情况亦十分复杂，因此要充分考虑环境变化的影响。

（2）地下水分布对多年冻土的影响

多年冻土是隔水层，具有不同的水文地质特点，区域性分布的多年冻土层，将原地质构造中的含水层分割为上、下两部分以及冻土中的融区。因此，区域性分布的多年冻土层可以改变地下水埋藏、补给和排泄条件。亦即由于多年冻土层的区域性隔水作用，决定了多年冻土区不同的其他水文地质区域特殊的地下水特征。近40年来，由于全球气候变暖以及人类活动等因素的影响，青藏高原多年冻土面积发生了缩减。伴随着冻土的退化，冻土区的水文地质条件亦发生了变化，并且导致地下水的动态特征出现明显变化。根据含水层和冻土层间的关系，可将多年冻土区的地下水分成三大类：冻土（冻结）层上水（图7-7中A）、冻土（冻结）层中水（图7-7中B）以及冻土（冻结）层下水（图7-7中C）。冻土层上水蕴藏于冻土上限之上，以冻土上限作为隔水底板，又称为季节融化层水。冻土层上水具有自由水面，一般由地表径流和降水补给，其动态取决于大气降水以及冻结、融化过程。冻土层中水蕴藏于多年冻土层中，被冻土包围或半包围的液态地下水，又可分为冻土层内水（完全被多年冻土包围，图7-7中B1）、冻土层间水（上、下被多年冻土层隔离，图7-7中B2）、融区通道水（周侧被多年冻土包围，图7-7中B3）三个亚类。其补给与排泄条件取决于融区的特性，区冻结取决于长周期的地温波动。冻土层下水蕴藏于多年冻土层之下，以冻土层作为隔水底板，又可分为与冻土下限直接接触的水（图7-7中C1）和与冻土下限不接触的水（图7-7中C2）两个亚类。

图7-7　多年冻土区地下水类型示意图

多年冻土区地下水具有显著的动态变化特点，具有矿化度较高、储量变化大、水温低等特点。其温度一般高于0℃，所以能够使相邻冻土层的温度升高甚至融化。在有水源补给与泻出的条件下，会形成冻土层间暗河，从而打破本来封闭状态的热平衡状态。由于地下暗河的作用，多年冻土中的一部分冷量被带走，进而导致相邻一定范围内的冻土层升温甚至发生融化。融化后的冻土层不再隔水，在水的渗流作用下，地下水经过下卧融化土层而接触更深处的冻土，从而扩大冻土升温乃至融化的范围，直接影响上部结构的安全，同样会对路桥过渡段的沉降规律产生影响。

（3）路基类型对多年冻土的影响

冻土属温度敏感性岩土介质，其对温度的敏感性表现为冻土中水分的变化，影响冻土稳定性的因素有温度、水分、岩性、地热及工程作用等。随着气候环境及工程建设等影响，青藏高原的多年冻土层亦发生了变化，针对不同的冻土条件，在设计时主要采用以下原则：①保护多年冻土的设计原则：主要用于年平均地温较低、含冰量较高、人为上限较浅的路段；②控制融化速率的设计原则：主要用于多年冻土年平均地温较高的路段；③综合治理原则。大量实践证明，被动保护多年冻土的方法（如抬高路堤高度、铺设保温材料等）无法抵御多年冻土退化的趋势，尤其是在全球变暖的大环境下。通过改变路基的结构和材料以达到对辐射、对流、传导的调控，进而实现冷却路基的目的。

冷却地基型冻土路基结构在青藏铁路的施工中具有重要的地位，主要有以下几种形式：片石层是片石气冷路基结构的核心，其本身的传热特点和气冷过程决定了此种路基冷却地基的效果。由于片石层是多孔介质工程体，其传热方式除接触式传导之外，还存在对流传热。在暖季，热空气沿孔隙上升，减小传入地基中的热量，孔隙中气体处于热传导状态，此时片石层起到热屏蔽的作用；在寒季，冷空气沿孔隙下渗，此时片石层起到冷却地基的作用，其热传输特性如图7-8所示。片石气冷路基结构能够降低土体的温度、抬升冻土的上限，并且在相对长的时间内，其上限位置能够维持，效果如图7-8所示。

在路基中埋设通风管的作用是：①在寒季，由于冷空气密度大，在自重和风力作用下，将通风管内的热空气挤出，进而带走通风管周围土体中的热量，以增加地基多年冻土的冷储量，达到保护冻土的目的；②在暖季，利用通风管内的空气对流，拦截路基上部的热量，从而减小融化深度。通风式路基结构的工作机理包括通风管内的空气对流机理和通风管壁与土体的热交换机理。空气对流机理有自然对流（由流体冷、热部分的密度差而引起）和强迫对流（由通风管内外的压力差而引起）两种形式。通风管壁与土体的热交换遵循傅立叶定律，其表达式如下式（7-32）所示：

图7-8　片石层的热传输特性

式中，q——在温度降低方向的能量；

　　　A——横截面面积；

　　　λ——材料的导热系数。

热量Q的计算入下式（7-33）所示：

式中，λ——材料的导热系数；

　　　l——通风管的长度；

　　　t1，t2——通风管内外表面温度；

　　　d1，d2——通风管内、外径。

通风式路基可以有效地降低路基土体的温度，能够抬升最大融化深度，具有良好的降温储冷效果，其冷却效果如图7-9所示。

热棒是一种汽、液两相对流循环换热的高效传热元件。热棒由一根密闭的钢管组成，在真空腔体内充以低沸点工质（氨、氟利昂等），钢管的上部（称冷凝段或散热器）装有散热叶片，钢管的下部（称蒸发段或蒸发器）埋入多年冻土中，中间的部分称为绝热段。在外界气温低于冻土温度时，蒸发段的液体工质吸热而蒸发成汽体工质，在压差作用下，沿管腔上升至冷凝段，由于冷凝段管壁温度较低，汽体工质冷凝成液体工质而沿管壁流回蒸发段，以此循环。在暖季，汽体工质上升到冷凝段之后不能冷凝，达到汽、液二相的平衡状态，此时热棒停止工作，热量依靠管壁进行热传导；大气中的热量不会通过热棒传入土体。如此循环不断，可将冻土中的热量源源不断的输出，从而起到保护多年冻土的作用。

图7-9　片石气冷路基效果示意图

多年冻土的地温与地表温度有密切的关系，而地表温度取决于大气温度，大气温度又直接受太阳辐射的影响。因此，如果能够阻断太阳的直接辐射，则可降低地表温度，亦可从能量来源的角度减小对多年冻土的热扰动，基于此，提出了遮挡式路基结构。此种结构是利用遮蔽反射原理来阻断太阳光的直接辐射，从而减小对多年冻土的热扰动，以起到提高多年冻土层热稳定性的作用。同时可以减小活动层的厚度，以使路基结构在一定的温度变化范围内能够保持稳定。从传热机理上来讲，遮挡式路基结构是通过以调控辐射、调控热传导、调控对流三种方式来控制路基温度场的工程结构形式。此种结构不仅能遮蔽太阳辐射对路基及边坡的影响，还能防止降雨和降雪的外来热影响，同时可以保证路基的整个断面利用外部空气进行通风。另外，机车通过遮阳棚时，会增大涡流热交换，从而起到冷却土体的作用。相关研究表明，遮挡式路基结构可以减小最大季节融化深度，降低路基下土体的温度，抬升多年冻土层的人为上限，从而起到保护多年冻土的作用。

保温层是保护多年冻土的动态平衡并使其处于冻结状态的具有一定厚度的覆盖层。冻土天然上限以上的土层是多年冻土最原始的保温层，它的存在是维持多年冻土动态平衡的必要条件。路基修筑以后，为了维持基底多年冻土处于冻结状态，需要一定厚度的覆盖层（填土或工业材料）作为路基的保温层。在路基内铺设一层保温材料即为保温型路基结构，它是利用保温材料的低热导性来阻止上部的热量进入下层土体，从而可起到保护多年冻土的作用。

保温隔热材料对热流有较强的阻抗作用，根据隔热原理，可分为多孔材料（将导热率较小的气体填充在材料的孔隙中以起到隔热的作用）和反射材料（靠热反射来减小辐射传热）两种。一般静止空气作为热阻介质是良好的保温隔热材料，如果将大量的静止空气注入某些固体材料内部，那么就可制成具有良好保温隔热性能的材料。目前，多孔保温隔热材料主要有纤维状材料（如石棉、玻璃绒等）、粉末状材料（石棉灰、珍珠岩粉等）和多孔状材料（泡沫橡胶、泡沫塑料等），基于以下原因，它们具有良好的隔热性能：①在材料内部尺寸很小的微小孔隙中有大量的气体，可起到隔热作用；②由于大量的微小孔隙存在于材料内部，将隔热材料分割成固体部分和空隙部分，从而使固体部分的传热须经过弯弯曲曲的路线，进而增大了多孔材料的热阻。由于保温隔热材料的导热系数与路基土体的导热系数存在数十倍的巨大差异，因此在保温隔热层的上、下将产生很大的温差，即保温隔热层的热阻效应。热阻效应能够有效地减小保温隔热层以下土体的最高温度和最低温度的年振幅，亦即抬升多年冻土的上限位置。在暖季，热阻效应可以削弱上部热量向下传输，在寒季，热阻效应能够削弱多年冻土向外散热。

保温隔热层能够改变冻土内部的热量周转，但是其最终的热平衡趋势决定于吸热和散热的差值。路基工程修筑以后，保温隔热层能够削弱土体内部热积累的发展速率，对多年冻土的升温起到延缓作用，但终究不能扭转土体热积累的发展趋势。目前，将保温型路基结构和冷却型路基结构相组合而形成复合结构形式进行应用，如保温板热棒路基结构、草皮热棒路基结构，可以更有效地保护多年冻土层。

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