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青藏铁路建设和冻土问题内容摘要：青藏铁路是世界上海拔最高和线路最长的高原铁路，全长约1925公里，其中格拉段长约1118公里。
海拔4000米的地段有965公里，最高点唐古拉山口为5072米。
穿越多年冻土…青藏铁路是世界上海拔最高和线路最长的高原铁路，全长约1925公里，其中格拉段长约1118公里。
海拔4000米的地段有965公里，最高点唐古拉山口为5072米。
穿越多年冻土区长度为632公里，其中大片连续多年冻土区长度约550公里，岛状不连续多年冻土区长度约82公里。
在632公里的冻土带中，年平均地温高于-1.0℃多年冻土区275公里，高含冰量多年冻土区221公里, 高温高含冰量重叠路段约为134公里。
高原、冻土和生态脆弱就成为青藏铁路修筑的三大难题，而冻土问题是青藏铁路成败的最关键问题。
冻土和冻土危害冻土是指温度在0℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤。
一般可分为短时冻土、季节冻土以及多年冻土。
地球上冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中多年冻土面积占陆地面积的25%。
我国多年冻土面积占国土面积的22%。
冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰，所以冻土具有强的流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。
同时，由于冰存在相变特征，未冻水分具有迁移特性，因此冻土也具有融化下沉性和冻胀性。
冻土工程不同于一般岩土工程的一个重要特点是：冻土工程中温度是一个关键参数。
由此也决定了冻土工程的稳定性与气候变化的关系十分密切。
多年冻土区由于反复的冻融作用，产生许多特殊的自然地质现象，如冻胀、融沉、冻拔、冻裂、冰锥、冻融分选、热融湖塘、融冻泥流等，对工程建筑有极大的影响。
多年冻土区常见的道路工程病害是融沉和冻胀问题。
冻胀就是土在冻结过程中，土中水分转化为冰，引起土颗粒间的相对位移，使土体积产生膨胀、土表面升高;当土中冰转变为水时，土便发生融化下沉，称为融沉。
以青藏公路为例，85%的路基病害是融沉造成的，15%为冻胀和翻浆所致。
青藏铁路冻土保护措施青藏铁路（2006年7月1日全线通车）多年冻土区长度为632公里，大片连续冻土区长度为550公里。
为了避免冻土层收缩影响路基，故用热棒将热量导出。
在高原，土地里的水结成冰，冰与土混为一体，当温度高于0度时，冰化为水，冻土变成翻浆泥。
建造在该地基上的铁路将发生塌陷，当温度过低时，水化成冰，土地膨胀，建造在该地基上的铁路就会被拱起变形。
青藏高原与俄罗斯的西伯利亚、美国的阿拉斯加、中国的大兴安岭等地一样，广泛分布着冻土环境。
冻土面目狰狞，变化万端。
有些冰隐藏在土地的裂缝里，有些土坡，竟然有2/3体积由冰块组成。
冻土在零下2度以下时，是相对稳定的。
零下2度以上的冻土，就不再稳定。
青藏铁路设计原则“主动降温、冷却路基、保护冻土”减少传入地基土的热量、保证多年冻土的热稳定性，从而保证修筑在上面的工程质量的稳定性。
全线建成了68.34公里的161座代路桥、137.68公里片石路基、36.19公里热棒路基和159.81公里碎石护坡，即主动降温。
解决青藏铁路的冻土问题，采取了以防为主的综合技术，包括抬高路堤高度、热棒、片石通风路基、铺设保温板、以桥代路、通风管路基、碎石和片石护坡、保温板、综合防排水体系等。
青藏铁路路基保温材料施工青藏公路路况国道109+2917公里：不冻泉物质基地，再往前2公里，就开始频频出现马路修补的痕迹。
路基被垒高，有的达三五米，为的是给冻土保温。
通俗的说法是，卖冰棍的老太太给冰棍包上一层厚厚的棉袄。
+2940公里，出现了数百根散热棒，并行插在道路的两旁+2949公里，可可西里桥梁处，公路的散热棒更多。
+3011公里，五道梁附近公路，路旁有一实验路基，有的地方用散热棒，有的地方用通风管道。
实验路基的周围，随处可见坑坑洼洼的水沼。
+3014公里，有公路断裂的痕迹，道路面目全非，几乎看不见一块完整的水泥。
青藏公路每一年都会有路段因为冻土而翻修。
青藏铁路多年冻土问题如何解决的?青藏铁路处于边勘测、边设计、边施工、边研究的“四边”建设状态，必须采用动态设计理念。
“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”项目科研人员通过试验段研究发现，保温材料只能够延缓多年冻土融化，在高温高含冰量条件和气候转暖条件根本无法确保路基稳定。
因此，“我们提出改变以往单纯依赖增加热阻保护多年冻土的方法，采用冷却路基思路、主动保护多年冻土工程措施来确保工程稳定性”。
这一思路的具体措施包括块石路基、碎石护坡，在路基两旁埋设高效导热的热棒、热桩，在路基中铺设通风管，在路基顶部和路基边坡铺设遮阳棚、遮阳板等。
还有一种工程设计措施就是以桥代路，这个桥可不是一般跨江过河的桥，冻土科研攻关人员将之命名为“旱桥”。
马巍称，旱桥桥桩穿越冻土层而直接打在坚实的底层，桥上铺架铁轨即可最大限度地避免冻土的影响。
青藏铁路穿越可可西里冻土区的清水河特大桥，就是典型的旱桥，该桥长达十一点七公里，气势巍然壮观。
虽然对冻土区的青藏铁路线建设、运营而言，旱桥是最可靠、最安全的工程措施，但由于其造价太昂贵，每公里要耗资五千万元人民币之巨，而全长一千多公里的青藏铁路全线总投资仅约三百亿元人民币。
因此，旱桥不能、也无法推广使用，只是在冻土条件复杂、安全性要求高的区域采用。
青藏铁路多年冻土问题如何解决的?采纳率：41%11级2013.04.10新浪网：中国科研者研究冻土已有半个世纪了吧？吴青柏：上世纪50年代初期，中国政府最初提出修建青藏铁路。
当时成立了冻土大队，奔赴高原研究冻土问题，这其实也就是现在中国科学院寒旱所的前身。
虽然后来青藏铁路工程上马一波三折，但中国科研者对青藏高原冻土的研究却没有停止过。
新浪网：青藏公路也是修建在冻土层之上，怎么解决冻土问题？吴青柏：青藏公路修建于上世纪50年代，那时对冻土的认识还非常浅，也没有什么新方法、新技术。
当时只是采用了将路基加高到一定的合理高度，以减少路面热扰动对冻土层的影响这一最简单的方法。
青藏铁路工程有关冻土问题及土工合成材料应用情况的介绍铁道第一勘察设计院李成摘要大量的工程实践表明,冻土区筑路遇到的主要问题是冻胀和融沉,在季节冻土区主要问题是冻胀,而在多年冻土区主要问题是融沉。
以保护多年冻土为原则,是多年冻土区工程措施中应用最为广泛的一种方法,它不但克服了冻土的融化下沉,而且充分利用了冻土强度高于融土的特性。
本文在阐明对青藏高原多年冻土环境认识的基础上,简要地介绍了保护多年冻土的几种工程方法,并对土工合成材料在青藏铁路的应用情况作了简要的介绍。
关键词铁路工程多年冻土土工合成材料应用1.概况青藏高原是世界上面积最大、海拔最高的高原,素有“世界屋脊”、“地球第三极”之称。
青藏线格尔木至拉萨段铁路全长约1100km,其中要穿越550km的多年冻土地段,全线线路海拔高程大于4000m地段约965km,在唐古拉山越岭地段,铁路最高海拔为5072m,为世界铁路海拔之最高。
“高原”和“冻土”问题是修建青藏铁路的两大难题。
铁路通过地区大部分为高原腹地,具有独特的冰缘干寒气候特征,寒冷、干旱,急风暴雨、雷电等变化剧烈无常,四季不明,空气稀薄、气压低,冻结期9月至次年4、5月。
昆仑山、可可西里、风火山、唐古拉等山区,年平均气温在-6℃以下,青藏高原腹地高平原区,年平均气温为-4~-4.5℃。
该地区具有年较差小,而日较差大的特点,年内日平均较差10~ 19℃,极端日较差35℃。
铁路沿线大气透明度良好,云量少,太阳直射强,总辐射量大,日照时数较大,为全国辐射量最大的地区,由于高原风大,地表所获辐射量的98.8%通过湍流交换以感热或潜热的形式向大气逸散,用于土壤增温和冻土融化的热量仅占 1.2%,使得高原上近地表气温并没有显著升高,而地下土层处于低温状态。
自1956年铁道第一勘察设计院对青藏线进行踏勘考察开始,格尔木至拉萨段的勘测设计、科学研究断断续续,至今已40多年。
其间对“高原”和“冻土”问题也进行了大量的科学研究和试验工作,创造了比较好的前期工作基础。
高中地理冻土知识点总结青藏铁路是怎样解决冻土问题的冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。
一般可分为短时冻土（数小时徵日以至半月）/季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（又称永久冻土，指的是持续二年或二年以上的冻结不融的土层）。
冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。
正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。
随着气候变暖，冻土在不断退化。
形成条件气候冻土分布区的环境条件存在差异。
冰沼土分布区属苔原气候，大部分地面被雪原和冰川所覆盖，年平均温在0℃以下，一般都在-10℃至-17℃，冬季气温可低至-40℃，甚至-55℃，夏季温度也很低，7月份平均温度不超过10℃，全年结冰日长达240天以上。
高山冻漠土年均温也很低，一般为-4℃至-12℃。
冻土区降水很少，欧洲部分为200—300毫米，亚洲和北美洲北部在100毫米以下，西藏冻漠土区因地势高、远离海洋，降水更稀少，一般为60〜80毫米，其北部更少，为20〜50毫米，其中90%集中于5—9 月。
降水虽然少，但气温低，蒸发量小，长期冰冻，土壤湿度很大，经常处于水分饱和状态，夏季土壤一母质融化，砂土可达1〜1.5米，壤土70〜100厘米，泥炭土35〜40厘米，以下即为永冻层，高山冻漠土在宽谷、湖盆永冻层深度80厘米，山坡上可达150厘米。
植被由于冻土区气候严寒，植被是以苔藓、地衣为主组成的苔原植被，草本植物和灌木很少，常见的植物有：石楠属、北极兰浆果、金凤花等开花植物，南缘有云杉、落叶松、桦、白杨、柳、山梣等，生长缓慢，矮小且畸形，各种植物的年生长量均不大，苔原地带每年有机质的增长量为400公斤/ 公顷，是世界各自然地带中最少的。
高山冻漠土区植被为多年生和中旱生的草本植物、垫状植物和地衣，常见的有凤毛菊属、葶苈属、桂竹香属、虎耳草属、点地梅属、银莲花属、金莲花属、红景天属等，一簇簇地生长在石隙之间，或在冰雪融水灌润的地方局部呈小片分布。
冻土是一种特殊的、低温易变的自然体，会给各类工程造成冻胀和融沉的问题。
在寒季，冻土像冰一样冻结，并且随着温度的降低体积发生膨胀，建在上面的路基和钢轨就会被膨胀的冻土顶得凸起；到了夏季，冻土融化体积缩小，路基和钢轨又会随之凹下去。
冻土的冻结和融化反复交替地出现，路基就会翻浆、冒泥，钢轨出现波浪形高低起伏，对铁路运营安全造成威胁，其特殊性和复杂性在世界上独一无二。
世界上几个冻土大国俄罗斯、美国、加拿大等都为解决冻土技术难题付出了艰辛的努力。
中国在冻土研究方面起步较晚，在20世纪八十年代中期以前，中国的冻土研究基本上继承了前苏联在多年冻土方面研究的经验和理论。
青藏铁路创了两个世界之最：世界上海拔最高的铁路，全线经过海拔4000米以上地段有965公里；同时它也是世界铁路工程史上穿越多年冻土最长的铁路，达到了550公里。
在冻土区修建铁路是一个世界性技术难题，对施工技术和施工能力是严峻的挑战青藏铁路建设中的冻土难题(2007-09-17 10:46:33)转载标签：教育杂谈多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱是青藏铁路建设中无法回避的三大难题，其中多年冻土尤为关键，是最难啃的一块骨头。
如今，青藏铁路即将全线通车试运营，这无疑表明，中国已解决了铁路穿越多年冻土地带的工程技术难题。
据了解，冻土在寒季就像冰一样冻结，随着温度的降低体积会发生膨胀，建在上面的路基和钢轨就会被“发胖”的冻土顶得凸起；到了夏季，融化的冻土体积缩小，路基和钢轨又会随之凹下去。
冻土的冻结和融化反复交替地出现，路基就会翻浆、冒泥，钢轨会出现波浪形高低起伏，对铁路运营安全造成威胁。
据有关专家介绍，冻土虽然在加拿大、俄罗斯等国家也存在，但他们是属高纬度冻土，比较稳定。
而青藏铁路纬度低，海拔高，日照强烈，加上青藏高原构造运动频繁，且这里的多年冻土具有地温高、厚度薄等特点，其复杂性和独特性举世无双。
针对这种情况，青藏铁路有111公里线路铺设了一种特殊的路基，即在土路堤底部填筑一定厚度片石，上面再铺筑土层的路基。
冻土主动冷却路基应用评价冻土主动冷却路基是一种新兴的路基工程技术，通过利用冰冻土壤的导热性能来降低路基的温度，从而减少热胀冷缩引起的路基变形和破坏。
在炎热地区，冻土主动冷却路基已经被广泛应用，并取得了显著的效果。
以下将对冻土主动冷却路基的应用进行评价。
首先，冻土主动冷却路基能够显著降低路基温度，从而减少路基的热胀和冷缩。
在高温环境下，路基的温度会显著升高，导致路基材料因膨胀而产生较大的应力，若这种应力超过了路基材料的承载能力，就会引起路基的破坏。
而冻土主动冷却路基通过将冷却剂通过管道引入路基底部，并循环流动，使路基底部的土壤温度下降，从而降低整个路基的温度，减小热胀和冷缩的效应，降低路基变形的风险。
其次，冻土主动冷却路基能够提高路基的稳定性和承载能力。
由于温度的升高会导致路基材料的体积膨胀，进而使其稳定性降低，容易导致路面开裂、路基下沉等问题。
而冻土主动冷却路基的应用可以有效降低路基的温度，减小热胀引起的应力，从而提高路基的稳定性和承载能力。
研究表明，冻土主动冷却路基的应用可以将路基的温度降低到10摄氏度以下，使路基的变形率明显降低，提高路基的抗压能力。
第三，冻土主动冷却路基能够延长路基的使用寿命。
路基在长期使用过程中，会受到交通载荷和环境因素的影响，产生沉降和裂缝等问题，进而导致路基的破坏。
而冻土主动冷却路基的应用可以通过降低路基温度，减小热胀引起的应力，延缓路基的老化过程，提高路基的使用寿命。
另外，冻土主动冷却路基还能够提高路面的平整度和行车的舒适性。
高温环境下，路面的变形和破坏会导致路面的不平整，使车辆在行驶过程中产生颠簸和震动。
而冻土主动冷却路基的应用可以通过降低路基的温度，减小热胀引起的应力，减轻路面的变形和破坏，提高路面的平整度，使车辆在行驶过程中更加平稳舒适。
然而，冻土主动冷却路基也存在一些问题和挑战。
首先，冻土主动冷却路基的建设成本较高。
该技术需要在路基底部安装冷却管道，并引入冷却剂进行循环流动，施工难度较大，耗费时间和人力成本。
中国科学 E辑: 技术科学 2009年 第39卷 第1期: 16~22 16 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS青藏铁路主动冷却路基的工程效果程国栋*, 吴青柏, 马巍中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 冻土工程国家重点实验室, 兰州 730000* E-mail: gdcheng@收稿日期: 2007-12-13; 接受日期: 2008-06-20中国科学院知识创新工程重大项目(批准号: KZCX1-SW-04)和国家杰出青年基金(批准号: 40625004)资助项目摘要在全球变暖的背景下, 高温冻土区的建筑必须改变单纯依靠热阻(增加路堤高度、采用保温材料)的消极“保”温方法, 而采用“冷却路基”的积极“降”温措施. 通过局地因素对多年冻土分布影响的分析得到如下启示: 可以通过改变路基的结构和填料调控传热, 以达到冷却路基的目的. 青藏铁路的实践表明: 通过遮阳板调控辐射, 通过块石层、通风管、热管调控对流, 通过“热半导体”材料调控传导, 通过这些调控方式的组合, 均可有效地降低路基下多年冻土的地温, 保证路基的稳定. 冷却路基方法是高温冻土区工程建筑应对全球转暖的有效措施.关键词高温冻土全球转暖青藏铁路冷却路基青藏铁路全长1142 km, 穿越632 km的多年冻土. 其中高温冻土(0~−1℃)段长275 km, 高含冰量(>20%)冻土段长221 km, 高温且高含冰量冻土段长134 km[1]. 在考虑全球转暖的情况下, 如何修建这条铁路, 面临着十分严峻的挑战[2]. 对青藏公路的调查研究发现: 公路在改建沥青路面后, 60%的路段形成融化夹层, 这些路段大多位于高温冻土区; 青藏公路路基病害的85%是由融化下沉造成的[1]. 青藏公路及冻土区其它工程建筑的实践表明: 青藏铁路的设计思想必须由单纯依靠增加热阻(增加路堤高度、采用保温材料)的消极“保”温思路, 改变为“冷却路基”的积极“降”温思路, 特别在高温冻土区, 非如此难以确保路基的稳定[3,4]. 通过局地因素对多年冻土分布影响的分析得到如下启示: 可以通过改变路基的结构和填料来调控辐射、调控对流、调控传导, 以达到冷却路基的目的[5,6].1调控辐射低的纬度和高海拔的结合, 使青藏高原成为地球上大阳辐射最强烈的地区之一. 因此, 在高原上遮挡太阳辐射能有效地降低地温[7]. 对青藏高原风火山设置的遮阳棚内和遮阳棚外14:00时地表温度的观测表明, 一年中棚内地表温度比棚外地表温度低8~15,℃最大差值达24℃[8]. 由于高原多大风, 不适合使用遮阳棚, 因此, 在北麓河路堤边坡上设置了遮阳板试验. 观测表明: 遮阳板下的坡面平均温度比遮阳板外的坡面低3.2℃, 最大可以相差4.2℃(图1), 比天然地表低1.5℃[9]. 同时, 路基填土在反复冻融作用下会变得疏松. 遮阳板既挡风, 又挡雨, 能有效地减少路堤坡面的风蚀和水蚀.2 调控对流青藏铁路使用了块石层、热管和通风管等措施调控对流, 如图2所示.2.1 块石层在青藏高原上, 设置在冻土上的块石层能起到“热半导体”的作用: 冷季时, 外界空气温度低于冻土温度, 块石层中的空气发生R-B对流, 冻土的放热加强; 暖季时, 外界空气温度高于冻土温度, 通过块石中国科学 E 辑: 技术科学 2009年 第39卷 第1期17图1 遮阳板下部土体温度变化图2 调控对流的工程措施层的传热以热传导为主, 冻土的吸热减少. 年循环的结果是通过碎石层的放热大于吸热, 使下卧土体得以冷却[10~13]. 当块石层倾斜设置的倾角大于一定值时, 块石层中将产生“烟囱效应”, 同样能起到降低地温的作用[13].青藏高原上冷季的风速和大风日数明显高于暖季, 75%的大风发生在冷季, 且平均风速高于暖季. 由此造成冷季时块石层中致冷的强迫对流明显强于暖季时致暖的强迫对流. 块石层中这种致冷和致暖强迫对流的不对称, 能明显地降低块石层下的地温[14].块石层在路堤上的应用可以有多种结构, 如块石路堤、块石基底路堤、块石护坡和U 型块石层路堤等, 如图3所示.2.1.1 块石基底路堤. 由于铁路设计要求块石层上至少要有2.5 m 的土层, 所以, 块石路堤变成了块石基底路堤(图3(b)). 青藏铁路约有130 km 的路段采用了这种块石基底路堤. 块石基底由20~30 cm 的块石组成, 厚1.0~1.2 m, 直接置于地面上, 块石基层上覆程国栋等: 青藏铁路主动冷却路基的工程效果18图3 各种型式块石路堤结构(a) 块石路堤; (b) 块石基底路堤; (c) 块石护坡路堤; (d) U 型块石路堤2.5~10 m 不等的土层.对不同地温带上的块石基底路堤进行了监测, 发现所监测的7个路段的块石基底路堤下的多年冻土上限均有抬升, 幅度达1.8~2.6 m. 路堤内多年冻土上限处的温度也显示了逐年下降的趋势. 但位于年平均地温高于−0.5℃的乌丽盆地和布曲河地段的块石基底路堤下多年冻土上限处地温逐年下降的趋势不明显 (图4所示)[15]. 上述事实表明: 块石基底路堤起到了降低地温的作用. 但由于上覆土层的影响, 其冷却作用受到削弱. 因此在高温冻土区, 仅仅依靠块石基底路堤还不足以保证路堤的稳定, 需要增补其它的冷却路基措施.在北麓河对开放和封闭的块石基底路堤进行了对比观测. 所谓的封闭块石基底路堤, 是在碎石基层暴露于空气中的两个坡面上用20 cm 厚的填土覆盖, 以隔断块石基层中的空气与外界空气的联系. 坡面无填土覆盖的则为开放的块石基底路堤. 块石基层由20~30 cm 的块石组成, 厚1.2 m, 上覆2.5 m 的粗颗粒土. 北麓河冷季的主导风向为东偏北, 基本垂直于路堤走向, 平均风速5~8 m/s; 暖季主导风向基本为北偏西, 平均风速约2~3 m/s. 观测表明, 由于上覆土层的影响, 封闭的块石基层中自然对流微弱; 而开放的碎石基层中, 由于风的作用, 强迫对流占了主导. 仅在冷季风小时, 坡脚处的碎石层中才发生自然对流. 总的结果是, 开放的块石基底路堤对下部土体的冷却作用要明显好于封闭系统, 其降温的差值可达2~4℃[16,17].2.1.2 块石护坡. 将块石任意堆放到路堤边坡上即形成块石护坡(图3(c)). 青藏铁路使用块石护坡的路段约长37 km, 所采用的块石粒径有8~10和20~30 cm 两种, 块石护坡厚度一般为80~100 cm.在北麓河进行了块石护坡的试验研究. 该处年平均气温−3.8℃, 年平均地温−1.4~ −1.6℃. 块石(5~8 cm)护坡路堤高4.1 m, 护坡厚度80 cm; 块石(40~50 cm)护坡路堤高4.8 m, 护坡厚度80 cm; 用于对比的普通路堤高4.5 m. 坡面温度观测点位于坡面下10 cm,图4 高温多年冻土区块石路基下部土体温度变化(a) 乌丽盆地; (b) 布曲中国科学 E 辑: 技术科学 2009年 第39卷 第1期19观测结果表明: 无论是路堤阳坡还是阴坡, 暖季碎石(5~8 cm)护坡面温度低于普通路堤坡面温度, 起到了隔热作用; 而冷季碎石(5~8 cm)护坡面温度高于普通路堤坡面温度, 说明碎石(5~8 cm)护坡中发生了对流作用[18]. 从碎石(5~8 cm)护坡和普通路堤中心孔的地温曲线可看出, 碎石(5~8 cm)护坡路堤下的地温降低幅度要大于普通路堤, 地表以下2 m 范围内的地温仍在逐步降低, 显示了较强的冷却作用(图5所示). 路堤建成3年后, 普通路堤下的冻土上限仅在路堤中心部位抬升到路堤基底以上, 而块石(40~50 cm)护坡路堤下的冻土上限己大部分进入路堤本体. 且其地温, 整体上要低于普通路堤下的地温, 说明块石(40~50 cm)护坡路堤起到了降低地温的作用[19].实验室模型试验和野外对实体工程的观测也表明, 在路堤的阴、阳坡设置不同厚度的碎石护坡, 可减少阴、阳坡融化深度的差异, 防止不均匀沉降和路面纵向裂缝的产生[20].2.1.3 U 型块石层路堤. 由于块石基底路堤的上覆土层降低了块石层的冷却作用, 所以在青藏铁路的若干块石基底路堤的两侧坡面增设了块石护坡, 形成U 型块石层路堤(图3(d)), 以期提高路堤的热稳定性. 到目前为止, 对U 型块石层路堤的观测时间尚短, 但总体显示这类路堤较之块石基底路堤和块石护坡有更强的冷却作用[21].在年平均气温为−4.0℃, 末来50年气温上升2.6℃的情景下, 对普通带道碴的路堤、块石基底路堤和U 型块石层路堤下部土体的热状况进行了数值模拟[22]. 模拟的路堤总高度为5 m, 碎石直径10 cm, 块石基层厚1.5 m, 上覆3.5 m 沙砾层, 块石护坡厚1.6 m. 模拟结果表明: 50年后, 普通带道碴路堤下多年冻土上限明显下降至7.4 m 的深度, 路基不稳定; 块石基底路堤下的冻土上限己接近天然地表, 但整体地温偏高, 接近0℃; 而U 型块石层路堤下的冻土上限己进入块石基底底部, 且整体地温比块石基底路堤下地温低了0.25~0.3℃, 有较高的稳定性.观测表明: 青藏铁路所采用的块石层起到了冷却路基的作用, 但其冷却效果比理论上预期的要低. 原因可能是在施工过程中将一些岩屑填入了块石层中, 减少了块石层的孔隙率, 降低了冷却能力. 另外,图5 一般路基和碎石护坡路基下土体温度场比较程国栋等: 青藏铁路主动冷却路基的工程效果20青藏高原多风, 很可能发生沙尘逐渐进入块石层, 从而降低块石层的冷却能力的情况. 对此, 应采取必要措施预防之.2.2 通风管通风管试验是在北麓河进行的(图2(b)). 采用的通风管有PVC 管和混凝土管两种, 直径30或40 cm, 管间间隔为两个管径的距离, 一般横向埋设在高于原地面0.5~0.7 m 的路堤中.青藏高原年平均气温与地表温度之间的差值平均在3℃左右. 因此, 在路堤中设置通风管能有效地降低其下的地温. 观测结果表明: 通风管能有效地降低地温; 埋置高度接近地表的通风管, 其冷却效应要好于埋置位置高的通风管[23]. 图6说明通风管的埋置高度接近地表的路堤, 在建成3年后, 多年冻土上限己上升到了原地表, −1℃地温等温线也随着抬升, 地温逐年都有明显下降的趋势(图6所示). 观测资料亦表明: 与年平均气温相比, 路堤表面温度要高4℃,天然地表温度要高 2.5℃, 而通风管内的气温仅比外界气温高1.6~1.8℃[24].通风管加强了其下土体冷季的放热, 但在暖季也增加了其下土体的吸热. 为了提高冷却效率, 在北麓河进行了自动控温通风管的实体工程试验. 所谓自控通风管, 是在通风管一端, 或两端安装可以根据气温变化自动开启或关闭的风门. 该风门带有温度感应和控制单元, 在外界温度高于设定温度时会自动关闭. 观测结果表明: 自动控温通风管壁的温度要比一般通风管壁低1℃. 自动通风管路堤基底下3.5 m 处的年平均地温, 也比一般通风管下的低0.45℃[25].为了进一步提高通风管的冷却效果, 在北麓河进行了透璧通风管路堤的试验. 透壁通风管是一种管壁开孔, 可以透气的通风管, 用来加强通风管内空气与周围土体之间的热交換, 以提高通风管路堤的冷却效率[26].2.3 热管青藏铁路使用热管的路段有34 km. 依据路堤高度, 热管长分别为7, 9, 12 m, 垂直或倾斜插于路肩或坡脚. 插入深度一般为上限以下2~3 m.在清水河进行的热管实体工程试验结果表明: 热管能显著降低地温, 抬升冻土上限. 清水河所使用的热管影响半径<1.8 m [27], 建议热管之间的间距以3 m 为宜. 数值模拟的结果表明: 热管在坡脚处埋设的倾角为25~30°时, 对于路堤中心、路肩及坡脚下多年冻土上限抬升的效果最佳[28].图6 通风管路基和一般路基下土体温度场对比中国科学 E 辑: 技术科学 2009年 第39卷 第1期213 调控传导水在结成冰后, 导热系数由0.45变为2.2 W/m ·k, 为原来的4倍. 利用这一性质, 可制作冻结时的导热系数远大于融化时导热系数的材料, 用于使路堤在冷季加强放热, 而在暖季减少吸热, 从而冷却路基, 起到“热半导体”的作用. 在实验室进行了层叠结构热半导体的试验[20]: 在密闭的容器中放置与空气互层的吸水材料, 并在底部注入一定厚度的水层. 对该“热半导体”的测试结果表明, 其在融化时的导热系数为0.11 W/m ·k, 冻结时的导热系数为1.2 W/m ·k,冻、融状态下导热系数的比值达到10.9. 这一研究, 目前尚未找到工程应用的途径.4 综合调控调控辐射、调控对流和调控传导这3种方法如能综合使用, 可以大大提高冷却效果.4.1 旱桥青藏铁路在高含冰量、极不稳定的冻土段使用了总长125 km 的旱桥. 旱桥桥桩直径1.2 m, 埋入地下25~30 m. 运行以来, 平均变形<2 mm, 最大变形< 5 mm. 旱桥既遮阳、又通风, 而且有很高的力学稳定性, 是保证高含冰量、极不稳定冻土地段路堤稳定的有效措施. 旱桥的设置也为野生动物的迁徙提供了通道. 对清水河旱桥所作的数值模拟表明, 旱桥下多年冻土的平均温度要低于天然状态下的冻土温度, 具有一定的冷却作用[29].4.2 遮阳板+碎石护坡李宁等人[30]提出了一种将遮阳板和碎石护坡相结合的路堤型式. 其特点是既能遮阳, 又能利用碎石护坡中的自然对流降温, 且能阻止风沙进入碎石层的孔隙. 对这种复合结构中遮阳板的高度、碎石护板的厚度、碎石粒度和路堤高度等的合理取值进行了数值仿真试验, 提出了遮阳板+碎石护坡的优化设计方法.4.3 热管+保温板在热管路堤基底, 原地面以上0.5 m 处增设保温板, 以提高冷却路基的效果[31]. 数值模拟结果显示: 在青藏高原50年升温2℃的情景下, 位于年平均气温为−3.5℃地区的普通路堤、设置保温板的路堤, 以及热管路堤均不能保证路堤的稳定; 而热管+保温板复合结构的路堤则可以抵消气候转暖的影响, 保证路堤的稳定.4.4 碎石护坡+保温板在碎石护坡路堤顶面下0.8 m 处增设保温板可以有效地加强碎石护坡的作用[31]. 数值模拟表明, 这种碎石护坡+保温板的复合结构路堤, 较之无保温板的碎石护坡路堤, 其路堤中部的地温有明显的降低.5 工程技术适应性评价主动冷却路基是高温冻土区工程建筑应对全球转暖的有效措施, 但主动冷却路基措施在工程实际应用效果上和工程造价存在着较大的差异, 工程造价有时往往制约着主动冷却路基工程措施的实施方案. 主动冷却路基措施的选择可根据气候变化和工程热扰动影响对多年冻土变化的影响[32], 以及工程造价和应用效果综合比较来确定. 对于极高温高含冰量路段(冻土年平均地温高于−0.5℃), 可采用旱桥和热管路基, 利用旱桥的综合调控性能来确保高温高含冰量路段工程处于稳定状态. 然而, 由于旱桥和热管路基具有较高的工程造价, 对于高温高含冰量路段(冻土年平均地温在−1~ −0.5℃), 在风向垂直路基走向的路段, 可采用通风管路基来降低路基下部多年冻土温度; 在风向与路基走向不垂直的路段, 可选用块石底基路基或者U 型块石路基, 这样可较大幅度地降低工程造价. 对于低温高含冰量多年冻土路段(冻土年平均地温在−1~ −2℃), 可供选择的工程技术措施较多, 应根据实际情况综合选择较为经济的工程措施. 然而, 由于多年冻土路基具有较强的“阴阳坡效应”[33], 工程技术措施中需要考虑减弱“阴阳坡效应”的复合措施.6 结论(1) 在全球转暖的背景下, 高温、高含冰量地段的道路工程, 必须采用冷却路基的原则, 变消极“保”温为积极“降”温, 以应对全球转暖.(2) 通过调控辐射、调控对流、调控传导和综合调控, 可以达到冷却路基的目的. 遮阳板、碎石层、通风管、热管和旱桥等调控措施已在青藏铁路上成功程国栋等: 青藏铁路主动冷却路基的工程效果22应用, 达到了冷却路基, 保证路基稳定的目的.(3) 目前在青藏铁路上应用的冷却路基的各项具体措施, 还需进一步量化、强化和优化. 同时须根据工程造价来确定其应用范围.参考文献1 Wu Q B, Liu Y Z, Zhang J M. 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