略說對(duì)鐵路的研究
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1監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)地溫測(cè)試
于左右路肩、左右坡腳各設(shè)置1個(gè)測(cè)溫孔,測(cè)試深度約16m;于路基坡腳20m外設(shè)置1個(gè)地溫測(cè)試孔做為天然對(duì)比孔。沉降測(cè)試:于左右路肩、坡腳各布置1個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn);于路基坡腳50m以外設(shè)置變形基準(zhǔn)點(diǎn)。每年2~12月份每月觀測(cè)2次,1月份觀測(cè)1次,本文分析的數(shù)據(jù)為2003年~2011年。
2地溫分析
路基左側(cè)天然上限溫度在監(jiān)測(cè)期間逐年升高,其中左坡腳于2003年夏季天然上限處溫度高于0益,表明原多年凍土上部已經(jīng)發(fā)生了融化,至2010年最高溫度達(dá)163益,年平均溫度由2005年的-083益升高至2010年的-018益,說明天然上限深度處地溫顯著升高;左路肩孔中天然上限溫度于2005年和2006年出現(xiàn)了正溫,即其下凍土出現(xiàn)了融化,至2007年有所下降,之后維持了相對(duì)穩(wěn)定;2005年天然上限處平均地溫為-024益,2006年為-017益,之后又降至2010年的-026益;路基右肩孔和右坡腳孔內(nèi)天然上限深度處溫度都在負(fù)溫范圍內(nèi)波動(dòng)變化,右路肩下孔內(nèi)平均地溫基本保持在-1益。右坡腳孔內(nèi)天然上限地溫變幅大于右路肩孔;對(duì)比該斷面路基左右兩側(cè)上限溫度變化,顯示由于陰陽坡效應(yīng)造成的差異在天然上限深度處也表現(xiàn)的十分顯著。不同位置人為上限深度變化顯示了該斷面不同部位人為上限變化情況,其中左坡腳處人為上限深度變化緩慢、階段性增加;左路肩處早期人為上限深度大幅逐年增加(2007年前之后大幅減小;右路肩整體人為上限深度較淺(處于路堤填土中),且呈進(jìn)一步減小趨勢(shì);右坡腳人為上限一直維持在18m深度處213進(jìn)入多年凍土的熱流狀況路基下多年凍土的溫度變化和分布主要受地表熱交換及凍土地溫梯度或地?zé)崃鞯挠绊?在研究地溫場(chǎng)變化和多年凍土的變化時(shí)需要計(jì)算進(jìn)入凍土的熱流量,選取上限(21m)及其下05m深度作為熱流通量的計(jì)算區(qū)域。根據(jù)熱傳導(dǎo)原理,垂直一維方向上進(jìn)入上限至其下05m深度范圍的熱流通量可以近似描述為qz=-姿u/f鄣t鄣z(mì)抑-姿u/ft0.5-tb駐z(1)式中,qz為熱流通量,W·m-2;姿u/f為填土融化和凍結(jié)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù),W·m-1·K-1,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,姿u=1278(W·m-1·K-1),姿f=184(W·m-1·K-1);t為溫度,下標(biāo)表示深度和上限;駐z=05m。利用(1)式將監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到。表明,由于路基填土的熱影響,一般填土路基,路基左肩原地面下21~26m深度一直經(jīng)歷著吸熱過程,且吸熱幅度在2006年前呈逐年增加的趨勢(shì),之后保持了相對(duì)的穩(wěn)定;路基右肩下相同層位出現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的吸熱-放熱過程;左右坡腳下,深度21~26m內(nèi)同樣呈現(xiàn)吸熱-放熱過程,但左側(cè)熱交換幅度更大,且吸熱高于放熱。
左坡腳和左路肩下多年凍土的熱收支都表現(xiàn)為吸熱,且左路肩下在監(jiān)測(cè)期內(nèi)都沒有發(fā)生過放熱過程;右路肩和右坡腳基本表現(xiàn)了吸熱和放熱量的平衡。這種熱量變化過程導(dǎo)致了上述多年凍土在路基左側(cè)的升溫現(xiàn)象。22DK1043+500復(fù)合路基人為上限狀況及熱流分析221天然上限位置溫度狀況為DK1043+500斷面各孔中天然上限深度處(20m)地溫隨時(shí)間變化曲線,為各孔天然上限深度處年平均溫度,可以看出:天然狀態(tài)下天然上限溫度呈現(xiàn)波動(dòng)升高趨勢(shì),最高溫度由2004年的-047益升高至2009年的081益,最低溫度變化不大;在路基左坡腳處,地溫顯著高于其他部位,2006~2007年間處于-358~359益;左右路肩下天然上限深度處地溫都呈下降趨勢(shì),其中左路肩下地溫呈緩慢近似線性變化,2003年最低溫度為-033益,2010年降低為-089益;右路肩下最高溫度由2003年的-06益降低為2010年的-121益,最低溫度由2004年的-163益降低為2010年的-196益。及反應(yīng)了復(fù)合路基下原多年凍土上限深度處地溫呈下降趨勢(shì),體現(xiàn)了復(fù)合路基片石層對(duì)冷卻下伏多年凍土的作用[1011]222不同位置人為上限深度變化圖4表明:2003~2010年凍土人為上限深度由172m降至233m;路肩處人為上限位置在2003~2004年間呈顯著抬升趨勢(shì),之后抬升幅度減小,其中左路肩2003~2010年抬升了254m,至原地面上171m;右路肩處2003~2010年間抬升了172m,至原地面上271m;左坡腳處上限深度大于天然孔上限,且呈緩慢加深趨勢(shì),2006~2010年間上限位置增加了098m。表3DK1043+500天然上限深度處年平均溫度益年份左肩右肩天為上限深度變化情況223熱流狀況20~25m深度凍土中的熱流量列于中。數(shù)據(jù)顯示,天然孔和路基左坡腳孔中各年進(jìn)入20~25m深度范圍的熱量為正。右路肩孔年熱收支為負(fù)值的部位,即表現(xiàn)為放熱,且放熱量保持了相對(duì)穩(wěn)定。原多年凍土這種熱交換變化過程及年熱收支狀況決定了其溫度的狀況,表現(xiàn)在溫度上為天然狀態(tài)下多年凍土的緩慢升溫,在路基下多年凍土緩慢降溫,體現(xiàn)了復(fù)合路基的工程效果。
3結(jié)論
路基左坡腳人為上限位置雖呈下降趨勢(shì),但地溫增加的趨勢(shì)明顯,整體上地溫場(chǎng)朝著不利于穩(wěn)定性的趨勢(shì)發(fā)展,該類路基難以起到全面保護(hù)多年凍土的作用。復(fù)合路基左右路肩下凍土天然上限深度處地溫都呈明顯降低趨勢(shì),左路肩下年平均地溫由2004年的-044益降至2010年的-088益,右路肩下年平均地溫由2004年的-124益降至2010年的-160益。多年凍土人為上限位置都得到顯著抬升,目前處于近地表處或路堤填土范圍中。復(fù)合路基在降低地溫和維護(hù)地溫場(chǎng)對(duì)稱性方面都具有顯著效果,能主動(dòng)冷卻凍土路基,很好地保護(hù)多年凍土。
作者：黃霞 單位：西北鐵路局