厚度和粒径试验段提供了可靠的技术支撑和指导作用，该示范工程已在青藏铁路的建设中发挥了重要的示范作用，也必将为青藏铁路的监测维护运营，提供科学决策平台。

对不同粒径块碎石层在封闭条件下的降温效果进行了系列室内试验研究, 试验中块碎石层厚度为1.3 m, 采用的4种块碎石平均粒径分别为8.3 cm、14.8 cm、22.1 cm和27.1 cm . 结果表明: 在顶部温度(平均温度为正)周期波动条件下, 4种粒径块碎石层均有一定的降温效果, 但平均粒径为22.1 cm的块碎石层降温效果最好. 经综合分析确定, 封闭块碎石层在本试验条件下的最优降温粒径范围为20～30 cm. 在全球升温与人类工程活动的背景下, 即使路基表面平均温度升为正, 只要合理利用块碎石层的降温特性, 就可以达到有效保护其下部多年冻土的目的.

在青藏铁路中片石气冷结构。片石气冷路基垫层厚度不小于0.3米，片石层设计厚度不小于1米，粒径0.2-0.4米，强度不小于30兆帕，片石层上再铺厚度不小于0.3米的碎石层，并加设一层土工布。这一措施已在沿线117公里的高温不稳定冻土区成功应用，起到了降低路基基底地温和增加地层冷储量的作用。

在青藏铁路中碎石(片石)护坡或护道。在路基一侧或两侧堆填厚度1.0-1.5米碎石或片石，形成护坡或护道，具有很好的降温效果。通过改变路基阴阳坡面上的护坡厚度，可调节路基基底地温场的不均衡性。这项措施对解决多年冻土区路基不均匀变形具有重要作用。

[ 本帖最后由 hebe5871 于 2010-11-1 13:31 编辑 ]

还有人工栽培撒播的边坡植被再造试验

块石加宽试验段,该试验段是在路堤阳坡加宽地部的块石层，由于路堤坡向的不同，在太阳辐射作用下吸收和传递的热量会有所不同，在垂直路堤的横剖面上会造成地温场分布的非对称性，由此带来纵向开裂等工程隐患，而块石层特有的对流和屏蔽效应可以使阳坡有更多的冷量不断向下坡的土体负积，由此达到削弱路基地温场的不对称性和稳定路基的目的。

在开放状态下, 块石夹层路基结构冷却路基的作用机理是, 冬季以通风作用为主的强迫对流效应和较弱的块石层侧向空气自由对流的复合过程, 这一复合过程主要与风速和风向有关. 当风速较大时, 块石层内产生强迫通风效应; 但风速较小时, 在阴坡侧块石层内一定厚度内产生自由对流效应. 夏半年因风速和风向条件块石层主要以热传导过程为主, 但夏季风速和风向条件有利于块石结构层内部产生一定的隔热作用.
在封闭状态下, 由于阻断或大幅度地减弱了风的影响, 块石夹层路基结构弱化了强迫对流过程; 同时由于块石夹层路基上部填土的影响, 块石层顶底板温差不足以驱动自由对流过程, 因此, 在封闭状态下块石层内部主要以热传导过程为主, 块石层内的空隙起到了一定的隔热保温的作用.
开放状态下块石夹层路基结构冷却路基、降低多年冻土温度的作用较封闭状态要明显得多, 二者间相差约2~4℃. 土体的热状态有着本质上的差异, 开放状态下土体的温度低于修筑路基前的温度, 封闭条件下土体温度高于修筑路基前的温度. 然而开放和封闭条件下块石夹层路基的冷却作用的长期效果如何, 还有待于进一步验证.
基于青藏铁路沿线多年冻土区温度监测断面, 选取了不同冻土分区中的8个块石路堤结构(块石路基、块石护坡、块石路基加块石护坡)断面, 对其下温度场的变化分析研究.结果表明: 经过2～3个冻融循环后, 块石结构路堤下冻土上限已抬升了1.4～5.3 m, 说明块石路堤结构已起到了积极调节下伏冻土温度的作用.结果也显示, 在上限抬升的同时, 其下部的冻土地温也在升高, 但是这种过程已逐渐被块石路堤结构的降温所抑制, 而这种抑制程度受控于不同的冻土区域.在不同的冻土分区中, 无论是何种形式的块石路堤结构, 其降温趋势是不同的.

[ 本帖最后由 hebe5871 于 2010-10-31 19:18 编辑 ]

块石碎石护坡试验段,是在普通路基的两侧坡面铺设一定厚度和一定内径的块石或碎石，其工作原理是由于块石或碎石的孔隙性大，空气可在其中自由或受迫流动，同时由于其对太阳辐射的遮挡作用可以避免太阳对路基表面的直接辐射加热作用，利用烟囱效应通过外界空气在其间的不断流动带走其中的热量，最终达到降温和保护多年冻土的目的。
(1) 观测期内, 块石层下平均温度低于碎石层下温度, 块石层下温度波幅大于碎石层下温度波幅. 从平均温度角度来考虑, 块石层较碎石层有利于保护多年冻土; 从温度波幅角度来考虑, 块石层较碎石层不利于保护多年冻土. 但随着冻融循环的进行, 块、碎石层下温度波幅都在减小.
(2) 观测期内, 块石层下最大融化深度有明显的抬升, 这种抬升得益于冷季块石层内空气较强的对流冷却作用; 碎石层下最大融化深度无明显变化.
(3) 观测期内, 从块、碎石层下部土体的热收支情况来看, 块石层较碎石层具有更好的放热效果, 即冷却下部土体的作用.
自然条件或是路基填料，粗颗粒土（如砂砾石、碎石、块石等）的导热系数都大于细颗粒土（如粉质土、粉质粘土、粘土等），大约是达1.3~2倍。所以，多年冻土区的粗颗粒土的冻结、融化深度也大于细颗粒土。
根据地基土的导热特性，改变多年冻土区的路堤结构，使路基土颗粒的单一导热传热方式改变为导热和对流传热的混合方式，充分利用青藏高原多年冻土区的强盛的负积温远大于正积温的特点，使大气从路堤面和坡面传入到路基的热量，不只是通过土颗粒接触导热，还要通过人为制造路堤介质空隙中的空气传导和对流，达到降低路基基底温度，从而变 路基下多年冻土的温度场，保持多年冻土上限稳定，且上升的目的。这就是碎块石调温路基结构设计的出发点。
实际上，在没有多年冻土的地区，天然条件的碎石堆中已经发现了冻土的存在。据报道， 在东西伯利亚的维柳伊河谷朝北的山坡上， 碎石堆下的年平均地温比年平均气温低1~2℃， 比周围多年冻土中的地温低5~6℃. 在北天山苔藓云杉林下的粗碎屑沉积中也发现了多年冻土. 该处的海拔高度为1800 m， 年平均气温3~4℃. 在瑞士的侏罗山、 中国的东天山、 日本的北海道山， 甚至在夏威夷群岛的死火山口， 均在年平均气温为正值处的粗碎屑沉积中发现了多年冻土。有人在加拿大阿尔伯特西南的高原山， 对气温和地温进行了两年的观测. 结果表明， 块石堆中的年平均地温较之相邻的矿物土低4~7℃. 这和在中国昆仑山垭口的两年观测结果一致, 昆仑山垭口块石堆中的年平均地温与相邻细粒土中的最大差值达7.1℃. 两种情况下， 都是块石堆下有多年冻土， 而相邻的土中无多年冻土. 在昆仑山垭口的情况下， 块石层的厚度仅为15 cm. 比较两地观测结果， 似乎薄层块石覆盖与厚层块石覆盖对地温的影响是类似的.
碎块石对于多年冻土的保护作用，气候学家Balch曾在1900年提出过一种机理， 称Balch效应， 可用来解释碎石堆降低地温的机理： 冷空气的密度比热空气大， 所以， 冬季冷空气通过碎石间的大孔隙进入碎石堆， 将孔隙中密度较小的热空气向上挤出， 形成对流， 换热强度加大； 夏季， 热空气在上， 冷空气在下， 层结比较稳定， 对流作用不明显， 主要靠传导作用换热， 由于空气的导热系数极小， 仅为0.025 W/mK， 所以换热强度很小. 年平衡的结果是散热大于吸热， 从而使碎石堆中的地温下降.
碎石堆中有利于冻土生成和保存机制启示我们， 在修筑路基时， 可利用Balch效应来保护冻土

碎块石调温路基是由道渣、路基主体和碎块石组成（图1、2）。目前青藏铁路建筑中，在地面以上0.3m抛填碎块石，粒径为20～40cm，厚度0.8～1.2m。碎块石表面由30cm的砾石和砂组合的过渡层，避免上部路基土渗入碎块石层，堵塞孔隙，影响效果。
碎块石路堤的孔隙率通常可达40％以上，空气可在孔隙中自由流动或受迫流动。暖季，太阳的辐射热通过路堤表面（坡面）以导热的方式将热量往路堤中和基底传递，使路堤中碎块石空隙的空气加热，因热空气的密度小而沿空隙上升，其热流方向与传热方向相反，在夜间这种逆向传热就更加活跃，碎块石空隙的存在就起到热屏蔽作用，相应地减少了传入路堤基底的热量，使碎块石中仍能维持较低的温度。在寒季，由于碎块石层的当量导热系数是暖季当量导热系数的5～10倍，甚至更多。据中铁西北科学研究院在风火山试验路基研究结果，碎块石层冬季的有效导热系数是夏季的12.2倍。因此，密度大的冷空气，不但冷却路堤表面（坡面），还可沿空隙下渗，通过对流换热不断地置换空隙中热空气，此时的导热换热与对流换热的热流方向一致，使较多的冷量传入地基中，加速路堤和基底热量散逸，增大了基底的冷储量。所以，碎块石路基的综合效果达到冷量输入大于热量输入。说明碎块石路堤在气温波动条件下具有热二极管效应，即自然对流降温效应。
从青藏高原的热水、风火山的试验路堤及俄罗斯西伯利亚贝-阿铁路的运营情况看，采用大块碎石材料作路基填料，都可以充分地利用冬季冷空气比暖季热空气比重大和对流特点，使碎块石孔隙中保持着较多的冷空气，维持地基多年冻土上限的热平衡，以至冷却和冻结地基。风火山试验路堤观测结果表明，暖季和寒季碎块石层及基底的地温比相同深度天然地层的地温分别低0.43和7.2℃。最大季节融化深度要浅1～37％。俄罗斯的斯科沃罗丁诺冻土试验结果，在相同条件下，基底的年平均地温比天然地层低2.9℃。青海省热水煤矿，多年冻土的年平均地温为-0.5，属于高温极不稳定的高含冰量多年冻土，路堤堤高2.5m，中部填1.85m的碎块石，1971年夏季施工，1974年地温观测结果，路基基底（即2.5m处）的年平均地温为-3.7℃。这些实例证明碎块石路堤具有良好的降低基底地温的效果。
同理，抛石护坡（图3）也具有相同的原理，可以起到降低路堤地温的效果。青藏铁路地处海拔4000m以上，阴阳坡的太阳辐射强度具有较明显的差异。青藏公路实践证明，路堤阳坡吸热量大于阴坡，造成路堤阴阳坡的多年冻土上限埋置深度不同，阳坡沉降大于阴坡，导致路堤倾斜，产生纵向裂缝。可以根据上述的原理，采用抛石护坡来调控路堤阴阳坡温差，保持路基下冻土地基的温度场处于较为平整的平面。
目前青藏铁路多年冻土区段采用最多的路基结构形式是本文所介绍的碎块石调温路基，从研究结果看，基本可以达到了设计目的。

[ 本帖最后由 hebe5871 于 2010-10-31 19:20 编辑 ]

泡沫玻璃板护坡试验段

[ 本帖最后由 hebe5871 于 2010-10-31 19:31 编辑 ]

热棒措施试验段这种措施是在路基的两侧按一定的间隔和深度平行路基，插入一定数量的热棒，通过热棒的高效单项导热使地基得以冷却，并防止形成并防止融沉、冻胀等冻害问题。热棒的工作原理是在密封真空管中充填某种工质，当热棒上端的温度低于下端的温度时，通过管中工质的项垫运移，将热棒下端的热量传递到上端散出，而在外界条件相反时，热棒则停止工作阻止热量的下传。
热棒是一种汽液两相对流循环的导热系统。它是一根密封的管，里面充填一定量的工质（如氮、氟里昂、丙烷、CO2等），上端为散热片组成的冷凝器，下端为装有工质的蒸发器，中间为绝热段。当冷凝器的温度低于蒸发器的温差时，蒸发器内的液体工质吸收热量而蒸发，在压差作用下，蒸汽上升至冷凝器端，放出汽化潜热，通过散热片放出，蒸汽工质也随之冷却凝结成液珠，在重力作用下，液珠沿管壁回流至蒸发器。如此反复循环，将地基土中的热量不断散发出去而使土体冷却。（图1）。当冷凝器的温度高于蒸发器温度时，对流就停止，热桩也停止工作。这类热桩的有效导热系数是流体对流方式的50倍
将热桩插入路基两侧的地基土中，就可以有效地将空气中的冷量传递到土中，且将土中的热量散发出去，从而有效地控制了热量向下传递，保持地基土处于冻结状态，达到路基稳定的目的。
在美国、加拿大、俄罗斯、日本等国家，将热桩广泛地应用于输油管道、工业与民用建筑、铁路路基、水坝以及人工冷库等。俄罗斯在西伯利亚用于热电厂的地基，阻隔高热量传入地基，保持冻土地基的稳定性。

由于热桩是专门工厂制造，需要长途运输到工地安装。为了克服热桩长途运输的不便和冷凝器段的散热装置损坏（如翼片、螺旋管等），及其在加工过程中不易保护等缺点，俄罗斯研制了地下和地面部分分别布置的自动制冷装置。地下部分用薄塑料管（直径为40mm），地面部分用薄钢管（直径约30mm），并加工成特殊形状（如螺旋形），以增大热交换表面积。地下部分施工完毕，将地面部分的冷凝器送到现场安装，与地下部分连接，打开封闭阀，设备就可以投入使用。他们还研制了由充填煤油的单管式汽液自动制冷装置的混合结构，用于柱式桥墩基础的冷却。我国中铁西北科学研究院于1988年研制，次年用于青藏公路可可西里地区的多年冻土涵洞进出口端的防地基融化下沉，观测结果证明多年冻土上限上升0.31～0.50m，使地面下3.5m处的地温降低了1.26℃。效果良好，保持地基的稳定性。
青藏铁路经过的多年冻土区，有些地段的冻土，年平均地温较高，且含有厚层地下冰。在全球气候转暖和路基工程的影响下，冻土将会发生融化，使路基下沉。对这些地段，采取热桩冷却地基的措施，以保持冻土地基的稳定性（图2）。
由于热桩具有高工效特点，可以作为青藏铁路运营期间，工程预测预报系统作出预报地段，采取热桩措施，使冻土路基较快的恢复稳定。
综上所述，热桩在防止多年冻土地基的融化下沉，降低地基温度，提高冻土地基的承载力，保持地基稳定性具有很高的使用价值。一般用于冻结指数（即一年内每天大气负温的累积值）大于500℃?d-1地区。在我国的东北、西北、内蒙等地区，利用热桩的极高的传热效应，充分利用冬季长时间的寒冷气温，建造人工冷藏库，储藏各类的农作物产品。

[ 本帖最后由 hebe5871 于 2010-10-31 19:24 编辑 ]

填挖过渡试验段

通风管路基结构试验段,通分管路基主要有路基土体，道砟和通风管构成。其工作原理是在寒冷季节冷空气有较大的密度，在自重和风的作用下将管中的热空气挤出，并不断将通风管周围土体中的热量带走，可以在全年的热量总交换量中达到放热大于吸热，最终使路基下部土体不断进行负积温。

U型结构试验段
U型结构主要是由下部一定厚度的块石，上部土体和两侧坡面上铺设的块石或碎石组成。其工作原理主要利用下部块石层中冬夏冷热空气密度不同所发生的对流和屏蔽效应，使冬季的冷量不断向下部土体负积，加之路基两侧坡面上块石或碎石对太阳辐射的遮挡和烟囱效应的降温作用，使整个路基达到最大程度的降温，以保护多年冻土的稳定。
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。
从下面的动画可以看出，在通风管的作用下，第一年冬天多年冻土上限的0℃温度线明显地向上移动，到了第一年的复季多年冻土上限的0℃温度线较缓地向下移，在第二年的冬季多年冻土上限的0℃温度线明显地向上移动，到第二年的夏季多年冻土上限的0℃温度线缓慢的向下移，在第三年的冬季多年冻土上限的0℃温度线明显地向上移动，到第三年的夏季多年冻土上限的0℃温度线缓慢的向下移。通过三年的观察，在通风管的作用下，使多年冻土上限的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。

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。
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。

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。

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。

[ 本帖最后由 hebe5871 于 2010-10-31 19:27 编辑 ]

为了满足边坡防护、保护冻土稳定路基、维护生态环境的需要还建有草皮护坡试验段

现在我们继续看到的是被动保护冻土措施的保温材料试验段

[ 本帖最后由 hebe5871 于 2010-10-31 19:32 编辑 ]