DS18B20在青藏铁路冻土路基温度场监测中应用

针对青藏铁路多年冻土路基问题的工程措施研究,展开论述.

在青藏铁路北麓河试验段设置试验断面,对地温及热流量进行观测,研究青藏铁路道砟层对路基下伏冻土热状况的影响。研究分析表明:道砟层在暖季阻止外部热量进入下伏冻土,冷季阻止路基内部热量扩散,且道砟层在暖季保温效果明显,而在冷季其降温效果并不明显;相同深度处道砟层下土体的年平均温度比砂砾路面下土体的年平均温度约低2℃;道砟层对路基下伏冻土起降温效果主要是因为其在暖季屏蔽了大部分外界热量,促使道砟层下土体年总热量收支呈现负值,从而起到很好的降温效果。因此,铺设道砟层有利于冻土路基的热稳定性。

在环境温度季节性变化的条件下进行室内模拟试验,探索了模拟冻土路基活动层形成的试验方法,研究了青藏高原多年冻土区路基活动层的形成活动规律。试验表明:活动层从初始形成到基本稳定过程中,近地表土层对外界温度场的变化响应灵敏,随外界温度的改变出现规律的波动;深层土层对外界温度的变化表现出滞后性,温度曲线波动幅度较小;活动层在趋于稳定的过程中土层的温度特征呈现出较为明显的区域相似性,在一定外温影响范围内土层温度场变化规律接近;在环境负温的初期表层土层迅速降温,活动层厚度开始逐渐减小。受外界气温及深层冻土冷源作用的共同影响,活动层冻结过程中会出现从上下边界同时冻结的现象,加快了活动层的冻结速度。

旅客朋友们:当您乘坐列车在青藏铁路线上飞驰,奔向神往已久的西藏拉萨时,您可曾知道?青藏铁路从西大滩至安多550公里的铁路都是修筑在多年冻土土层之上的。列车来到这一区段,稍加留意就会看到铁路路基两侧不时出现一段段整齐地排列着带有螺旋翅片的钢管,这可不是什么普通的钢管,而是应对青藏铁路多年冻土禁区的一种\"神秘武器\"——热棒。

青藏铁路格拉段冻土路基裂缝防治

运营期青藏铁路冻土区路基工程最值得关注的变化是不同部位裂缝的发生和发展以及对线路安全运行的影响。通过对不同时期青藏铁路多年冻土区路基工程裂缝发生发展影响因素的分析,认为冻土区路基工程基底地温场的不对称以及基底土体冻融过程不同步是路基工程变形裂缝发生的主要原因,路基坡脚和周围冻土水热环境变化是裂缝发展的拉动力,路基填料性质也是不容忽略的因素;根据运营期间冻土路基热状态和工程状态分析,对运营期青藏铁路冻土路基工程状态进行了初步评价,并提出了减少或消除地温场的不对称及保护路基坡脚冻土环境,从而抑制冻土路基裂缝的工程对策。

在环境温度季节性变化的条件下进行室内模拟试验,探索了模拟冻土路基活动层形成的试验方法,研究了青藏高原多年冻土区路基活动层的形成活动规律。试验表明：活动层从初始形成到基本稳定过程中,近地表土层对外界温度场的变化响应灵敏,随外界温度的改变出现规律的波动;深层土层对外界温度的变化表现出滞后性,温度曲线波动幅度较小;活动层在趋于稳定的过程中土层的温度特征呈现出较为明显的区域相似性,在一定外温影响范围内土层温度场变化规律接近;在环境负温的初期表层土层迅速降温,活动层厚度开始逐渐减小。受外界气温及深层冻土冷源作用的共同影响,活动层冻结过程中会出现从上下边界同时冻结的现象,加快了活动层的冻结速度。

结合青藏铁路望昆—布强格段路基工程设计,依据路基新结构试验研究成果和全球气温升高对冻土路基工程长期稳定性的影响研究,认为多年冻土路基设计,应以冻土地基热稳定为核心,以冻土年平均地温、含冰量、冻土上限、不良冻土现象、水文地质条件及路基高度等为基础,充分考虑全球气温升高的影响,采取综合工程措施处理,并总结出了不同综合条件下高含冰量冻土地段的工程处理措施。

在青藏铁路五道梁低温冻土区进行了片石护道路基新结构和土护道路基结构的实体工程试验,以确定路基修筑对温度场的影响.对测试断面冻融循环的地温监测资料的分析表明,2004年片石路基左右路肩孔冻土上限处,年平均地温分别低于土护道路基相应位置0.12℃和0.14℃,2005年片石路基左右路肩孔分别低于土护道路基相应位置0.65℃和0.03℃,冻土上限以下地温均呈逐年下降趋势.片石护道和土护道路基冻土上限均存在不对称性,但随着时间发展,片石护道路基最大融化深度位置基本接近或超过天然地面,且冷生过程还在继续.该区域的片石护道路基新结构能够有效发挥降低地温、主动保护多年冻土的作用.

基于最小二乘法的无网格伽辽金法只需要节点信息而不需要单元信息,这对求解带相变的温度场这种有移动边界的非线性问题非常有利。在寒冷地区,冻融现象经常发生,因此在寒区路基传热计算中,必须考虑相变问题。本文采用无网格方法对青藏铁路一试验段路基中温度场的非线性问题进行研究。计算中,用焓法来考虑相变问题,用lagrange乘子法施加本征边界条件,利用fortran语言编写无网格法程序求得数值解。通过与实测值及有限元法得出的解相比较,结果表明:与有限元法相比较,无网格法具有所得数值解更接近实测值、收敛速度快、前后处理简单等优越性,是一种在实际工程非线性温度场计算中值得研究的方法。

在全球气候变暖的背景下,青藏铁路沿线多年冻土目前处于退化状态,冻土退化将会对线路的稳定性产生影响,为解决这一问题,收集青藏铁路沿线多年冻土区冻土上限的观测数据,并比较2007年和2015年的数据,分析填土路基断面冻土上限特征,探讨减缓路基工程变形的工程措施。结果表明:青藏铁路多年冻土区填土路基人为上限有所抬升；由于线路存在左右侧阴阳坡的差异,致使两侧路肩以下人为上限形态差异性更加明显,并且冻土升温退化显著；对于青藏铁路多年冻土区路基,在工程边坡铺设碎石有助于应对气候变化引起的多年冻土退化导致的路基工程变形问题。

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结合热棒在青藏铁路多年冻土区路基中的应用，介绍了热棒的工作原理、作用，分析了热棒在施工中的技术要求，实践证明，应用热棒解决了基础冻胀、融沉等热力过程中的许多问题，保障了多年冻土地区地基的稳定。

青藏铁路——世界冻土工程博物馆 关键词：青藏高原、冻土、地基、片石层通风路基、热棒等 青藏高原是世界上面积最大、海拔最高的高原，地理位置独特，自然环境恶 劣，地质条件复杂，素有“世界屋脊”、“地球第三极”之称。青藏铁路格拉段将 穿越约547km多年冻土地段，另有部分岛状冻土、深季节冻土、沼泽湿地和斜 坡湿地，全线线路海拔高程大于4000m地段约960km，在唐古拉山越岭地段， 线路最高海拔为5072m，为世界铁路海拔之最。“高原”和“冻土”问题是本线 的两大难题，其特殊性和复杂性在世界上独一无二。【1】 冻土，是指温度在0℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤。冻土在冻结的状 态下体积膨胀，到了夏季，冻土融化体积缩小。冻土的冻结和融化交替出现，就 会造成路基不稳定，影响正常通车。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，水分产生迁移并具有相变变化特征，因

基于温度场的冻土路基变形数值分析及对比——考虑相变和全球气温升高的影响，利用数值分析方法，对青藏铁路典型路基的变形问题进行了分析和数值模拟。通过建立路基有限元模型，选取适当的边界条件、初始条件及热学计算参数，在计算了典型路基断面温度场变化的前...

采用焓模型,建立含相变的冻土路基温度场,利用非线性有限元方法对隔热板路基温度场进行数值模拟,并结合考虑近期及远期冻土保护效果,采用冻土年最大融深及路基内融土核高度两个评价指标综合分析了路基高度、路基施工季节等因素对隔热板最佳埋深的影响.有限元计算表明,当施工季节向冷季推迟3个月时,隔热板的冻土保护效果显著增强,路基在运营20年内无融土核出现.在确定隔热板最佳埋深时需综合考虑施工季节、路基高度等因素的影响,若路基较低,宜浅埋,路基高度较高,暖季施工宜中埋,冷季施工宜浅埋.

为防止雨水冲刷路基,保护路基边坡不受雨水浸蚀,工程部门采取了多种措施来保护边坡的稳定,铺草皮是常用的技术措施之一。1960年在青藏公路多年冻土地区k1113+800附近修建了一段40m长的路堑草皮护坡工程,草皮是作为保温材料而应用在边坡工程上,草皮层保持了边坡冻土人为上限深度的稳定。1975年在风火山地区修筑了路基试验工程,在dk0+235处修建了一座一孔2.0m×

青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原铁路。高寒缺氧、多年冻土、生态脆弱是建设青藏铁路的三大难题。因此多年冻土区设计和施工是建设青藏铁路的关键之关键。文章根据青藏铁路多年冻土区建设的体会,重点介绍片石通风路基在青藏铁路多年冻土区设计原理、施工工艺和如何保护多年冻土。

为了解决青藏铁路多年冻土地段路基的热融冻胀问题,确保多年冻土地段路基的稳定,部分冻土地段路基应用了热棒技术。文章介绍热棒的工作原理、施工方法及施工后路基沉降的观测,实践证明采用热棒技术对多年冻土路基的地基稳定有较好的效果。

在介绍热棒工作原理的基础上,结合青藏铁路17标段施工,阐述了热棒的施工技术要求及其应用,经实践证明,热棒在多年冻土地区的应用是一种很好的方法,为类似工程提供了借鉴。

针对实时安全可靠传输青藏铁路冻土地温监测数据的需要,首先介绍gsm-r通信的基本原理,根据青藏铁路工程的实际情况,比较gsm/sms、gsm-r/gprs、cdma3种无线数据传输技术方案的优缺点,最终确定基于gsm-r的数据传输技术方案。并设计无线数据传输相关的协议、单片机软件和数据中心软件。经过工程应用证明,本方案具有设计简单、投资低、数据传输稳定可靠等优点。

针对青藏高原冻土地区不同的路基设计原则,采取不同的路基冻土施工保障措施,如片石通风路堤、热棒等,以确保青藏铁路格拉段建成后尽可能少地发生病害。