多年凍土區(qū)鐵路路基陰陽坡面熱狀況差異分析-

1、第24卷第17期巖石力學與工程學報V ol.24 No.17 2005年9月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.,2005 多年凍土區(qū)鐵路路基陰陽坡面熱狀況差異分析盛煜,馬巍,溫智,張明義(中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室,甘肅蘭州 730000摘要:對于多年凍土地區(qū)的工程建設而言,人類活動所誘發(fā)的局部多年凍土環(huán)境的改變遠甚于氣候變暖的效應。整體而言,路基陽面的沉降變形普遍大于路基陰面,預示著陽面多年凍土的融化更為劇烈。基于青藏鐵路北麓河試驗場的現(xiàn)場監(jiān)測資料,分析了路基陰陽坡面熱狀況的差異。結果表

2、明,路基陽坡面年平均溫度比路基陰坡面可以高出3以上,冬季路基陽坡面溫度較高對陽坡面整體高溫貢獻較大。路基陰陽坡面、路基頂面的溫度年較差均比天然地表高,預示著路基填土表面地氣熱交換周轉量比天然地表大。路基陰陽坡面熱狀況的差異會導致路基下伏土層溫度場的不對稱性,由此可能引起路基橫向的不均勻變形。關鍵詞:土力學;路基;溫度;陰坡面;陽坡面中圖分類號:TU 43 文獻標識碼 A 文章編號 10006915(200517319705 ANALYSIS OF DIFFERENCE IN THERMAL STATE BETWEENSOUTH FACED SLOPE AND NORTH FACED SLOPE

3、 OF RAILWAYEMBANKMENT IN PERMAFROST REGIONSHENG Yu,MA Wei,WEN Zhi,ZHANG Ming-yi(State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering,Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou730000,ChinaAbstract:As for the engineering construction in permaf

4、rost regions,the change of local permafrost environment, induced by human events,influences permafrost much more than the climate warming. The settlement on south faced slope is usually more than that on north faced slope,as indicated that the thawing of permafrost under south faced slope is acuter.

5、 Based on observed data in Beiluhe test site of Qinghai-Tibet Railway,the difference in thermal state between south faced slope and north faced slope was analyzed. The results indicate that the difference of ground-atmosphere heat transfers between south faced slope and north faced slope is very obv

6、ious and the annual mean temperature at a 0.5 m depth on south faced slope could be higher than that on north faced slope by over 3. The higher temperature on south faced slope is greatly attributed to high temperature during winter time. The fact that the annual ranges of ground temperatures near e

7、mbankment surfaces are all greater than those near nature ground surface shows that the ground-atmosphere heat exchange of embankment surface is beyond that of nature ground surface. This kind of difference in thermal state may result in asymmetric thermal regime in embankment,and underlying soil as

8、 well. As a result,possible unevenly transverse deformation may appear.Key words:soil mechanics;embankment;temperature;south faced slope;north faced slope收稿日期:20050224;修回日期:20050519基金項目:國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973項目(2002CB412704;中國科學院知識創(chuàng)新工程重大項目(KZCX1SW04;國家自然科學基金重大項目(90102006 3198 巖石力學與工程學報 2005年1 引言地表與大氣之間的熱交

9、換、土層深部的地熱流是決定土層一定深度內(nèi)溫度狀況的熱邊界條件。地中熱流盡管有地域之分,但是在一定的時間范圍內(nèi)各個區(qū)域的地中熱流通常是非常穩(wěn)定的。因此,地氣之間的熱交換條件便成為決定地溫的最為主要的熱邊界條件。多年凍土也正是依賴于一定的地氣熱交換條件而發(fā)育存在的。盡管諸多的證據(jù)表明全球變暖正在引起一些地區(qū)多年凍土的退化,但是對于多年凍土地區(qū)的工程建設而言,人類活動所誘發(fā)的局部多年凍土環(huán)境的改變遠甚于氣候變暖的效應1。以道路工程為例,青藏公路自20世紀50年代修建以來,穿越多年凍土的路段變形病害十分嚴重,其主要原因在于路基下伏多年凍土持續(xù)發(fā)生著融化、地溫升高、上限下移等顯著的退化現(xiàn)象24。整體而言

10、,路基陽面的沉降變形普遍大于路基陰面,預示著陽面多年凍土的融化更為劇烈。換言之,路基陽面地氣之間的熱交換條件更加可能促使下部土層形成熱量積累。文5對北麓河青藏鐵路路基淺地表的熱狀態(tài)進行過動態(tài)監(jiān)測,但其工作更多地關注工程作用對地表熱狀況的改變,沒有對陰陽坡面熱狀況的差異進行監(jiān)測。文6根據(jù)太陽輻射日總量和路基走向建立了理想條件下鐵路路基表面熱狀況的太陽輻射因子隨鐵路走向的不同而產(chǎn)生的影響進行了分析研究。另外,在多年凍土地區(qū)路基溫度場的數(shù)值模擬計算中,路基周邊溫度邊界條件的選取將直接決定路基下伏多年凍土熱狀況的變化過程,而絕大多數(shù)數(shù)值計算研究中均沒有考慮路基陰陽面熱交換狀況的差異710,其主要原因是

11、缺乏實際觀測資料。2001年國家重點工程青藏鐵路開工,建設部門對鐵路沿線穿越的500余千米的多年凍土區(qū)路基的穩(wěn)定性給予了充分的重視,分別在清水河、北麓河、沱沱河以及安多建立了實體試驗工程路段,主要目的就是研究各種維護多年凍土區(qū)鐵路路基穩(wěn)定性的措施,力保今后青藏鐵路的正常運營。試驗路段的主要監(jiān)測內(nèi)容包括路基及下伏土層溫度和路基變形。借此機會在北麓河試驗場路基周邊布設了淺層地溫監(jiān)測探頭,本文對此監(jiān)測結果進行了分析。2 觀測場地及觀測方法監(jiān)測路段位于青藏鐵路設計里程DK1139+618DK1139+950范圍,地處孤山山腳的殘破積地帶,地表縱向呈拱形、橫向呈斜坡,地面高程為4 635 4 639 m

12、,路基填土高度為2.54.5 m(中心部位,路基填料為碎礫石土。試驗段地表植被稀疏,覆蓋率不足20%。該段地表為厚約1 m的細砂夾殘破積砂巖片石,下部至2.5 m范圍以黃棕色粉質粘土為主,多年凍土上限為 2.5 m,上限以下普遍存在14 m厚的含土冰層,含土冰層呈懸浮狀構造。含土冰層以下以全風化棕紅色泥巖為主,局部夾有灰色強風化砂巖。巖芯裂隙發(fā)育,裂隙中常常被純冰充填,在局部形成飽冰、富冰凍土。試驗段多年凍土年平均地溫從DK1139+670段面的-0.28 逐漸降低至DK1139+940段面的-0.69 ,屬于高溫極不穩(wěn)定和高溫不穩(wěn)定多年凍土區(qū)。該試驗路段縱向走向(拉薩向為SE40°

13、,路基修筑后左右邊坡形成較為鮮明的陰陽面(左側為陽面,右側為陰面。路基完成半年以后(2002年6月,在DK1139+670,DK1139+820和DK1139+940 三個斷面沿路基周邊0.5 m深度布設了測溫探頭,探頭間距0.5 m,圖1為試驗斷面探頭布設示意圖。測溫探頭采用中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室組裝自制的熱敏電阻觀測,人工觀測電阻時采用0.1 分辨率的Fluke多功能萬用表測試,通過實驗室標定的參數(shù)將電阻值換算為溫度。采用人工觀測,觀測頻率為1次/(10 d。3 路基周邊淺地層溫度分析截至2003年8月29日的觀測資料表明,3個斷面路基周邊溫度值及變化過程

14、基本相同。因此,本文以DK1139+670斷面的觀測資料為例進行分析。另外,在路基頂面、路基陰陽坡面上除了幾何拐點外各個部位溫度基本相同,因此,可認為淺地層地溫在路基周邊3個面上差異不大,而只有路基周邊各個面之間有溫度差異。分析資料時將各個面上監(jiān)測的溫度值進行平均代表基頂面、路基陰陽面上的淺地層溫度;對每月3次溫度觀測值進行平均得到各個面上的月平均溫度。圖2給出了DK1139+670斷面路基左側坡面(陽坡面、路基頂面和右側坡面(陰坡面淺地層溫度變化過程,由圖2可知兩個明顯的規(guī)律:(1 路基陰坡面(右側坡面淺地層溫度始終低于路基陽坡面(左側坡面和路基頂面;(2 冬季3個面上的淺地層溫第24卷 第

15、17期 盛 煜等. 多年凍土區(qū)鐵路路基陰陽坡面熱狀況差異分析 3199 圖1 探頭布設示意圖(單位:m Fig.1 Schetch of observation section(unit :m 圖2 路基周邊淺地層(0.5 m 深度溫度變化過程 Fig.2 Ground temperatures at the depth of 0.5 m underembankment surface changing with time度差異最大,陽坡面最高,路基頂面次之,陰坡面最低。選擇觀測期間2002年9月2003年8月的資料作為一個年度對淺地層溫度進行年度溫度指標 分析結果如表1。最高溫度3個面差異不

16、大,陽坡面比陰坡面只高出 1.76 ;最低溫度3個面差 異非常明顯,陽坡面比陰坡面高出 4.88 ,比路 基頂面高出 2.70 。陰坡面的凍結指數(shù)是陽坡面 凍結指數(shù)的2倍多,而陰坡面的融化指數(shù)只有陽坡面的約3/4。路基周邊3個面只有路基陰坡面的年 平均溫度為負溫,表明陰坡面在目前熱狀況下處于有利于多年凍土發(fā)育的條件。陽坡面非常高的年平均溫度預示著陽坡面邊界存在強烈的多年凍土退化(融化、地溫升高熱狀況。路基頂面基的熱狀況基本介于陰、陽面之間,略有熱量積累條件。陽坡面與陰坡面的年平均溫度相差達3.17 。由此可見,路基陰坡面與陽坡面之間存在十分顯著的熱狀況差異。為了便于比較,將距觀測場地約500

17、m 地表條件基本相同的氣象站場地的氣溫、0.5 m 地溫(天然地表結果以相同方法統(tǒng)計同時列于表1中。與天 然地表相比,路基周邊最高溫度均高于天然地表,路基頂面、陰坡面最低溫度低于天然地表,但是陽坡面最低溫度仍然高于天然地表。路基周邊各個面的溫度年較差(某一深度處地溫在1 a 中最高與最低溫度的差值稱之為地溫年較差均大于天然地表,更接近于氣溫年較差。路基周邊3個面的融化指數(shù)均大于天然地表,路基頂面及路基陰坡面的凍結指 數(shù)(絕對值大于天然地表,陽坡面凍結指數(shù)小于天然地表。參照n 系數(shù)的定義11,12,將0.5 m 深度溫度的凍結/融化指數(shù)與對應氣溫凍結/融化指數(shù)之比定義為淺地層溫度n 系數(shù)。圖3給

18、出了路基陰陽坡面、路基頂面以及天然地表淺地層溫度凍結/融化n 系數(shù)。表1 2002年9月2003年8月年度溫度指標統(tǒng)計結果(采用月平均溫度統(tǒng)計Table 1 Statistical results of all kinds of annual temperature indices from September 2002 to August 2003名稱 最高溫度/ 最低溫度/ 年度溫差/ 凍結指數(shù)/(d融化指數(shù)/(d 年平均溫度/左側坡面(陽面 11.28 -6.67 17.95 -676.32 1 325.58 1.78 路基頂面 10.37 -9.37 19.74 -1 140.05 1

19、 298.19 0.43 右側坡面(陰面 9.52 -11.55 21.07 -1 493.25 986.12 -1.39 氣溫 6.21 -13.22 19.43 -1 950.91 551.26 -3.83 天然地表7.94-7.9915.93-943.26791.55-0.42-15.0-10.0-5.0 3200 巖石力學與工程學報 2005年圖3 路基陰陽面邊坡、路基頂面及天然地表淺地層(0.5 m深度溫度n 系數(shù)Fig.3 Temperature n factors at the depth of 0.5 m under embankment surfaces and nature

20、 ground surface凍結n 系數(shù)越大、融化n 系數(shù)越小,越有利于吸熱,反之越利于放熱。路基陽坡面凍結n 系數(shù)最低、融化n 系數(shù)最高,最利于吸熱;陰坡面凍結n 系數(shù)最大,融化n 系數(shù)比天然地表略大,整體呈現(xiàn)放熱效應。路基頂面盡管凍結n 系數(shù)較大(僅次于 陰坡面,但是其融化n 系數(shù)與陽坡面大致相當。應該說明陽面邊坡溫度高主要受控于冬季放熱小,陰面溫度低主要是由于夏季吸熱少,而路基頂面夏季與陽坡面更接近,冬季與陰坡面相似。4 路基內(nèi)地溫場的不對稱性路基周邊熱狀況的不同(即地氣之間熱交換條件的不同很大程度上決定了下伏土層熱狀況的差異。當影響到多年凍土認為的上限程度時,就可能導致路基因凍土融化

21、狀況不同而產(chǎn)生橫向的不均勻變形。圖4為監(jiān)測斷面2002年10月19日的地溫場,此時基本達到最大融化深度。路基填土內(nèi)的溫度整體上呈現(xiàn)左高右低的不對稱分布。多年凍土上限(以0 等溫線為界表現(xiàn)為左側深,右側淺。圖4 監(jiān)測斷面2002年10月19日地溫場(單位: Fig.4 Temperature field of the experimental section inOctober 19,2002(unit :由于修筑路基時間尚短,上部邊界條件所引起的下伏土層的溫度改變需要一定的時間,加之橫向溫度狀況的差異也會引起一定的橫向傳導熱交換,因此,目前所觀察到的下伏土層的溫度分布不對稱性還不是十分顯著,今

22、后這種不對稱趨勢可能會加 劇,假若融化深度超過原天然上限深度,由此可能引起的路基不對稱變形不容忽視。5 結 論修筑鐵路路基后形成的路基陰陽坡面的地氣熱交換條件存在很大差異,陽坡面淺地層年平均溫度比陰坡面可高出3以上,陽坡面溫度高主要歸咎于其冬季相對較高的溫度狀態(tài)。路基陰陽坡面、路基頂面的溫度年較差均比天然地表高,預示著路基填土表面地氣熱交換周轉量比天然地表大。路基陰陽面熱狀況的差異將會引起路基下伏土層溫度場的不對稱分布,從而產(chǎn)生路基橫向不均勻變形的隱患。 參考文獻(References:1 Instanes A. Climate change and possible impact on Ar

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