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青藏铁路建设中工程问题与处理方法(2)-----通风管路基

    多年冻土地区的主要工程问题是冻土地基的融化沉陷。在冻土地基为富含地下冰的情况下,建筑物热源的侵蚀作用,使冻土地基的地温升高,融化了地下冰,在建筑物基础下形成碟状的融化盘。融化的地基土在自重和建筑荷载作用下,产生融化和压缩下沉,导致建筑物变形、破坏。虽然青藏铁路属于冷结构的建筑物,但路基修筑改变了原地面的性状,以及气候转暖的影响,亦可能改冻土冻结的温度场,使冻土融化,上限下降,引起路基下沉。为此,多年冻土建筑地基的设计原则中,采用物理和工程结构措施,保持地基土在建筑物运营期间处于冻结状态,或者控制冻土地基的融化速率,使其下沉量控制在建筑物允许变形范围。
    通风式路基属于调控对流措施。通常有通风管路基、抛填碎、块石路基、抛石(块石、碎石)护坡等。

 
图1   通风管路基

    通风基础的应用在国内冻土地区已经十分普遍,其热学计算在国家行业标准《冻土地区建筑地基基础设计规范》中有所规定,青藏高原风火山地区也曾进行过试验研究,但对通风路基的研究资料却十分有限。1974年美国曾在阿拉斯加的费尔班克斯(Fairbanks)西40km的公路上进行过现场试验,通风管道小坡度倾斜并平行于公路埋放于坡脚附近,并在一端构造了一段竖向管,以发挥“烟囱效应”,促进空气的流动,研究结果认为应用通风管加强公路路基稳定性是可行的。俄罗斯冻土科学家曾针对管通通风制冷系统进行了试验研究,工程中将通风管垂直于路基走向埋设在路堤填土底部,同样,进风和出风口的高度不同,研究结果表明工程效果良好。
    通风管(或架空通风)基础大量的应用于多年冻土的采暖房屋建筑,使地面与上部采暖建筑间存在一定的空间,冷空气的流动就排出上部热量,冷却地基(图2)。为保持室内温度和居住的舒适,底层必须有足够的保温或空一定空间(可安装采暖和给排水设施)。青藏高原风火山地区,建造在含有2m的含土冰层和4.8m饱冰冻土地基上的通风管基础采暖试验房屋,30多年的使用未出现地基下沉现象。俄罗斯西伯利亚地区的工业与民用建筑广泛应用架空通风基础,乃至热电厂也采用。

 

图2   发电厂架空基础
    通风管在冬季可以是冷却路堤,在夏季阳坡坡面温度比气温高2~4℃,也可以加热路堤,但在管内中心受不到太阳直接辐射,换热强度有所减弱,可终究要消耗部分冬令期间冷却路堤的冷储量。因此,必须要满足冬令季节的负温累积值(称为冻结指数,温度与时间乘积)大于夏季期间正温累积值(称为融化指数),即│-∑Ω│>>│+∑Ω│。多年冻土区的负温累积值与正温累积值的比值(积温比)为4.5~7.8,具有相当大的潜在冻结能力。据沱沱河岸坡融区测得的增大季节冻结深度达4m以上,比当地最大季节融化深度(2.2m)大近一倍,说明有较大的潜在冻结能力。由此可见,积温比大于3倍时,在中高路堤中设置通风管可以达到较好冷却路堤的作用。

表1 进入2.5~3.0m深度多年冻土的热量(kJ/m2
试验段
冻融时间段
热量变化
监测孔位置
天然
中心
一般路基
2002-2003
吸热
25115
15923
放热
-20822
0
φ30通风管路基
 
2001-2002
吸热
19953
31272
放热
-20211
0
2002-2003
吸热
18836
9834
放热
-18743
-6282
φ40通风管路基
2001-2002
吸热
23839
18426
放热
-20997
0
2002-2003
吸热
21796
4404
放热
-18342
-2390
以往的试验观测表明,通风管路基基底出现负积温,而未设通风管路基依然为正积温。多年冻土上限的0℃温度线明显地向上移动,减少阴阳坡面下路基温度的差异,指示出通风管路基施工后,可以保持多年冻土上限的稳定,且可以上升,大部分地段的沉降量均在2cm以下,保持着路基的稳定性。
为研究通风管路基的工程效果及其在青藏铁路建设中的可行性,2001年在青藏高原北麓河试验段开展了一段长422m的实体试验工程。通风管试验路基的结构如图1所示,是由路基主体、通风管、道渣组成。工程上将通风管横铺于路基的下部,一般设计高出原地面0.3~0.5m,尽量与当地的主导风向一致。冬季期间,较大密度的冷空气,在自重和风的驱动下,在管内流动,不断的排出管内的热空气和加大冷却管外周边的土体,隔断上部热量传入地基土,达到保护冻土路基处于冻结状态的目的。
    路基多年冻土热量周转的过程决定了路基温度的变化,并反映了工程措施的效果。表1为青藏铁路试验段天然状况和工程条件下进入原地面下2.5~3.0m深度层内的热量变化情况。数据表明,试验段天然地表条件下多年冻土的吸热量大于放热量,但热流量正负基本平衡,而路基下多年冻土的热收支却存在着极大的差异。各试验段在施工后的第一个冻融循环周期内由于填土中原有热量的影响,使得路基都处于吸热过程,在第二个周期虽然吸热量有所减少,但一般路基在施工2年后仍处于吸热过程,这种热量变化过程导致了多年冻土的整体升温现象;而通风管路基在第二个冻融循环周期内已经开始出现放热,表明通风管开始起到降温、散热的作用,初步达到了工程措施的目的要求。
    通风管路基适用于年平均气温低于-3.5℃,地基土的冻胀性较弱地段。设计中需要确定最佳的通风管内径与长度的比值,管间距,埋设位置,进出口的高差,取得最佳的效果。
 
(图示1)
 
 
(图示2)
 
 
(图示3)
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