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青藏铁路抛石路基通风性能的多维度解析与优化策略研究

一、绪论

1.1研究背景与意义

青藏铁路作为世界上海拔最高、线路最长的高原铁路，自2006年全线通车以来，在我国的经济发展、民族团结以及国防安全等方面发挥着举足轻重的作用。它是西部大开发的标志性工程，极大地加强了西藏与内地的联系，推动了青藏两省区的经济社会发展，促进了各民族之间的交流与融合。

然而，青藏铁路有相当长的路段穿越多年冻土区，冻土问题成为威胁铁路安全运营的关键因素。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有未冻水的冻土在温度变化时，会发生体积的膨胀或收缩，即冻胀和融沉现象。在夏季，气温升高，冻土中的冰融化成水，导致土体强度降低，路基出现下沉；而在冬季，气温降低，土体中的水分冻结，体积增大，使路基隆起。这种反复的冻胀融沉作用，会导致路基变形、开裂，轨道不平顺，严重影响列车的运行安全和稳定性。

为了解决冻土问题，保障青藏铁路的长期稳定运行，工程技术人员采用了多种工程措施，抛石路基便是其中一种广泛应用且行之有效的方法。抛石路基是在路基底部铺设一定厚度的块石层，利用块石间的孔隙形成通风通道，通过空气的自然对流和热传导作用，将路基中的热量散发出去，从而降低路基温度，维持冻土的稳定性。

研究抛石路基的通风性能具有至关重要的意义。一方面，深入了解抛石路基的通风性能，能够准确评估其对冻土路基温度场的调控效果，为优化抛石路基的设计参数提供科学依据，如块石粒径、抛石层厚度等，从而提高抛石路基的稳定性和耐久性，保障青藏铁路的安全运营，减少后期维护成本和安全隐患。另一方面，对抛石路基通风性能的研究，有助于进一步完善冻土工程技术理论体系，推动冻土工程技术的发展，为今后在其他冻土地区的工程建设提供宝贵的经验和参考。

1.2国内外研究现状

冻土是指温度等于或低于零摄氏度，且含有冰的各类土，广泛分布于高纬度地区和高海拔地区。多年来，国内外学者对冻土的物理力学性质、分布规律以及工程特性等方面进行了大量的研究。在冻土的分布规律研究中，通过地质调查、地球物理勘探等手段，基本明确了全球冻土的分布范围和特点。我国冻土主要分布在东北高纬度地区和青藏高原等高海拔地区，其中青藏高原是世界上中低纬度地带海拔最高、面积最大的多年冻土区。

在冻土的物理力学性质研究方面，学者们通过室内试验和现场测试，深入探究了冻土的强度特性、变形特性以及热学特性等。研究表明，冻土的强度和变形特性与土的颗粒组成、含水量、含冰量以及温度等因素密切相关。例如，随着温度的降低，冻土的抗压强度和抗剪强度会显著提高；而含水量和含冰量的增加，则会使冻土的变形增大。

在抛石路基研究方面，国外早在20世纪中叶就开始了相关研究。加拿大、俄罗斯等国在冻土区的公路、铁路建设中，采用了抛石路基等工程措施，并对其降温效果和作用机理进行了研究。他们通过现场监测和数值模拟等方法，分析了抛石路基的通风性能和温度场变化规律，提出了一些关于抛石路基设计和施工的建议。

我国对抛石路基的研究起步相对较晚，但在青藏铁路建设期间，对抛石路基进行了大量深入的研究。通过在青藏铁路沿线设置试验段，对抛石路基的温度场、风速场等进行了长期监测，分析了不同因素对抛石路基通风性能的影响。研究发现，块石粒径、抛石层厚度、外界气温以及风速等因素都会对抛石路基的通风性能产生重要影响。例如，较大的块石粒径和较厚的抛石层有利于提高通风性能，但也会增加工程成本；外界气温和风速的变化则会影响空气的对流强度，从而影响抛石路基的降温效果。

尽管国内外在冻土及抛石路基研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之处。在研究方法上，现有的数值模拟模型大多基于一些简化的假设，与实际工程情况存在一定的差异，导致模拟结果的准确性有待提高。在研究内容上，对于抛石路基在复杂气候条件下的长期性能演化规律以及不同工程措施之间的协同作用机理研究还不够深入。此外，对于抛石路基通风性能的评价指标和标准尚未形成统一的体系，给工程设计和施工带来了一定的困难。

1.3研究内容与方法

本文主要研究青藏铁路抛石路基的通风性能，具体研究内容包括以下几个方面：

分析抛石路基工程通风性能的影响因素：研究块石粒径、抛石层厚度、外界气温、风速等因素对抛石路基通风性能的影响规律，通过理论分析和试验研究，确定各因素的影响程度和作用机制。

研究抛石层自然对流特性：通过室内试验，模拟抛石层在自然条件下的对流过程，分析风速场和温度场的变化特征，研究粒径和控温方式对自然对流的影响，揭示抛石层自然对流的机理。

开展抛石路基通风特性试验研究：在青藏铁路沿线选取典型试验段，对抛石路基的通风性能进行现场监测，分析护坡内流速变化、表层流速变化、底层流速变化以及大气风场对块石护坡内温度场、流速场的影响，研究粒径对通风性能的影响，确定抛石路基通风性能的变化规律。

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