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Sciences in Cold and Arid Regions
2013, 5(4): 0377–0386
DOI: 10.3724/SP.J.1226.2013.00377
Roadbed, embankment, tower support and culvert stability problems on permafrost
V. G. Kondratiev 1,2,3*
- Zabaikalsky State University, Chita, Russia
- Moscow State University, Moscow, Russia
- SPE 'TransEGEM', Moscow, Russia
*Correspondence to: V. G. Kondratiev, SPE 'TransEGEM,' Moscow, Russia. No. 47-1-73, Bolshaya Academicheskaya, Moscow,
125008, Russia. Tel/Fax: 7-916-9069354; E-mail: v_kondratiev@mail.ru
Received: May 10, 2013 Accepted: June 1, 2013
ABSTRACT
The history of railway and highway construction in permafrost zones in Russia, the United States, Canada, and China spans more than 110 years. Nonetheless, no railway track or highway has yet been built in such area that is impervious to deformation caused by subsidence resulting from the thawing of ice-rich subgrade soils. This paper presents data on the roadbed states of the Trans-baikalian and the Baikal-Amur Railways as well as the Russian 'AMUR' Chita-Khabarovsk Highway. It also discusses the feasi-bility of roadbed stability maintenance using methods based on the reduction of the mean annual ground temperature and roadbed preservation in a permafrost state by means of the natural cooling and heating factors ratio regulation resulting in a reduction of the heat generation in the roadbed and the adjoining area accompanied by an increase of heat consumption with help of the sun-precipitation protective sheds (awnings), rock covers, dolomite powder (reflective paint), cooling tube and thermosyphons as well as tower supports and corrugated pipe culverts stability.
Keywords: Baikal-Amur Railroad; Transbaikalian Railroad; Highway 'AMUR' Chita-Khabarovsk; permafrost; embankment; roadbed deformation; stabilizing treatment measures
1 Introduction
The history of railways constructed in permafrost re-gions spans more than 110 years: the Transbaikalian, Amur, Alaska, Norilsk, Gudson, Labrador, Baikal-Amur (BAM), Amur-Yakut (АЯМ), Yamal, and other railways in Russia, the United States, and Canada. Each of these railroads pro-vides an example of frozen-ground construction and at-tempts to maintain stable subgrade soils in areas of perma-frost and deep seasonal freezing. The problem of preventing roadbed deformation on ice-rich permafrost has been rele-vant for many decades, not only in Russia (Yelenevsky and Nizovkin, 1936; Sumgin, 1937; Petrukhin and Potatuyeva 1987; Bushin, 1992; Kondratiev, 2011) but also in the United States (Berg and Aitken, 1973; ASCE, 1996), Canada (Hayley, 1988), and China (Wu and Cheng, 1988; Feng et al., 2011).
Construction in China of the Qinghai-Tibet Railway along the Golmud-Lhasa segment occurred in 2000–2006. This is the newest stage of major railway construction in-volving conditions of permafrost and deep seasonal soil freezing. The project involved new, large-scale attempts to solve the site-specific problems of subsidence, roadbed de-formation, frost heaving, and thaw settlement.
The author worked with Chinese experts to address geo-cryological problems along the Qinghai-Tibet Railway and the Qinghai-Tibet Highway for more than 15 years and, in Russia, has been actively engaged in these problems since 1986. Results of his research are reflected in more than 75 technical papers and reports, as well as in six monographs published in the USSR, Russia, the United States, Canada, Norway, China, Japan, and Finland (Kondratiev, 1994, 1996, 1998, 2002, 2004, 2005, 2006, 2008, 2011). Information
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from these projects and various studies are briefly reviewed in this paper.
2 Geocryological problems associated with railroads
The thaw settlements of embankments and the frost heaving of tower supports are most important geocryologi-cal problems associated with railways.
2.1 Thaw settlements of railroad embankments
There has been very limited success in building a rail-way line that would not undergo deformations resulting from thawing of ice-rich soils or frost heave induced by the freezing of wet foundation soil. These problems are charac-teristic of all railroads, regardless of the length of time in operation. The Transbaikalian Railroad has been in opera-tion more than 100 years, the BAM and the Amur-Yakutsk Main Line for many decades, and the Chara-Cheena and Ulak-Elga connecting lines for only a few years. The Qing-hai-Tibet Railway was completed in 2006.
One of the major problem areas on the Transbaikalian Railroad, located at route segment 6,277–6,278 km, is shown
in Figure 1. It is ironic that his segment is known as the 'golden' kilometer because, at this location, continuous de-formation of the embankment and rail-sleeper grating has been occurring since 1949. Train speed limitations of 40 km/h, and sometimes even as low as 15 km/h, have been imposed since 1969, while addition of ballast and rail adjustments are executed annually. For example, in 2009 the odd track was realigned 12 times and the even track 10 times; in 2010 this was done 11 and 9 times, respectively. In some places, the ballast has already subsided 5 to 6 m and subsidence of the rail bed has not ceased. This condition is expected to continue for many years because the embankment was constructed on permafrost soils having a thickness of 25–30 m.
The railway constantly incurs financial losses due to re-duced train transit and additional costs fo
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寒冷和干旱地区的科学。
2013年,5(4):0377 - 0386
DOI:10.3724 / SP.J.1226.2013.00377
路基、路堤、塔架支护和涵洞稳定性问题。
v . g . Kondratiev1,2,3*
- Zabaikalsky州立大学，Chita，俄罗斯。
- 莫斯科国立大学，莫斯科，俄罗斯。
- SPE“TransEGEM”,莫斯科,俄罗斯
*通信:Kondratiev, SPE“TransEGEM”，莫斯科，俄罗斯。莫斯科，Bolshaya Academicheskaya, 47-1-73，
125008年,俄罗斯。电话/传真: 7-916-9069354;电子邮件:v_kondratiev@mail.ru
收到:2013年5月10日 接受:2013年6月1日
文摘
俄罗斯、美国、加拿大和中国的永久冻土区铁路和公路建设的历史跨度超过110年。尽管如此，在这样的地区还没有修建铁路或高速公路，因为这些地区由于冰层丰富的地基土层的融化而导致地表塌陷。本文介绍了跨白沙路和白卡-阿穆尔河公路路基的数据，以及俄罗斯“阿穆尔河”的几丁-哈巴洛夫斯克高速公路。还探讨了路基稳定性的维护使用方法基于年平均地面温度的降低和路基保护冻土状态通过自然冷却和加热因素比监管导致减少路基产生的热量和毗邻地区伴随着增加耗热量的帮助下防护棚(遮雨篷),岩石覆盖,
关键词:Baikal-Amur铁路;Transbaikalian铁路;高速公路“黑龙江”Chita-Khabarovsk;永冻层;路堤;路基变形;稳定化处理措施
1 介绍
铁路建于冻土做出的历史跨越110多年:Transbaikalian,黑龙江,阿拉斯加,诺里尔斯克Gudson,拉布拉多,Baikal-Amur(BAM),Amur-Yakut(АЯМ),亚马尔半岛,和其他铁路在俄罗斯,美国,和加拿大。每条铁路都有一个冻土层构造的例子，并在严寒和季节性严寒地区维持稳定的路基土壤。多年来，在俄罗斯(Yelenevsky和Nizovkin, 1936年)，防止路基变形的问题已经被搁置了几十年。Sumgin,1937;Petrukhin和Potatuyeva 1987;Bushin,1992;但也在美国(Berg和Aitken, 1973;加拿大(海利，1988)，中国(吴、程，1988;冯,2011)。
2000年至2006年，青藏铁路沿线的青藏铁路在中国建设。这是多年冻土和深度季节性土壤冻结的主要铁路建设的最新阶段。该项目涉及新的、大规模的解决地面沉降、路基变形、冻胀和融冰沉降等问题的尝试。
作者与中国专家合作，在青藏铁路和青藏高速公路沿线进行了15年以上的地质问题研究，自1986年以来一直积极参与这些问题。他的研究成果发表在75篇以上的技术论文和报告中，以及在苏联、俄罗斯、美国、加拿大、挪威、中国、日本和芬兰发表的6篇专著中(Kondratiev, 1994, 1996, 1998, 2002, 2004, 2005, 2006, 2008, 2011)。信息
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本文对这些项目和各种研究进行了简要回顾。
2 与铁路有关的地质问题。
河堤的解冻沉降和塔架的冻胀是与铁路有关的最重要的地质问题。
2.1 铁路路堤解冻。
在建造铁路线路方面，成功的限制非常有限，因为在潮湿的地基土冻结的情况下，不可能发生冻土融化或冻胀引起的变形。这些问题是所有铁路的特点，无论运行的时间长短。在过去的几十年里，这条跨白山铁路已经运行了100多年，BAM和Amur-Yakutsk的主干线已经运行了几十年，而Chara-Cheena和Ulak-Elga的连接线路只有几年的时间。青藏铁路于2006年竣工。
其中一个主要的问题区域，在运输的铁路，位于路段6 277 - 6,278公里，显示。
如图1所示。具有讽刺意味的是，他的这一段被称为“黄金”公里，因为在这个位置，从1949年以来，一直在不断地形成堤防和铁路卧铺。列车速度限制为40公里/小时，有时甚至低至15公里/小时，自1969年起实施，同时每年执行压载和铁路调整。例如，在2009年，这条奇怪的轨道被重新排列了12次，甚至是10次;2010年，这一数字分别为11和9倍。在一些地方，压舱物已经下沉5至6米，而轨床的下沉也没有停止。这种情况预计将持续多年，因为路堤是在厚25-30米的永久冻土上建造的。
由于铁路运输和轨道维修以及经常维修的电气接触系统设备的额外费用，铁路经常遭受经济损失。例如,1995年,网站由于较低的运输损失总量(1999卷)的75%却是前文所提到的241302(1991却是前文所提到的价值),包括交通放缓的损失却是前文所提到的195301 5(总损失的81%),支出跟踪调整和压舱物却是前文所提到的30000(12.4%),和额外的支出伞就接触系统变形的却是前文所提到的16000(6.6%)。
图1轨道和电力线塔的变形沿Transbaikalian铁路的一个带电部分，在2013年3月的6278公里。
在哈萨克斯坦东西伯利亚铁路上，主要的铁路轨道变形已经发生了近20年，在BAM的1374公里的侧线上。在这一段的原有四条轨道线中，只有一条仍在服役中;但是，如图2所示，它需要进行几乎连续的维护和经常的重新整修。在过去的几年里，RUR 6亿美元(约3000万美元)用于整修铁路公路的这一部分，但稳定的问题仍未得到解决。由于在山坡坡地上的轨道无法接受的变形，火车的速度仍然限制在15-40公里/小时。由于BAM的这部分是电解的，所以电接触网和支持是至关重要的。
电力线塔也应该经常维修。在Transbaikalian铁路的北部，Chara-Cheena铁路在2001年建成。这条路线延伸到一个有着极其复杂的工程地质条件的地区，那里有着丰富的永久冻土。在某些地区，地下冰的厚度为5-10米。这条铁路轨道变形的例子，发生在低温加热过程的ad-verse影响下，显示在。
图3。
铁路路堤下永久冻土的融化通常是由于:(1)将太阳辐射的吸收与自然表面相比较;(2)通过em对降水的渗透。
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bankment;(3)在堤岸和邻近地区的基础上增加积雪厚度;和(4)
坡面和地下水的运移到边坡边坡的基体和基部。
图2 2012年7月，东西伯利亚铁路的严重变形面积为1374公里。
图3 2012年7月，查拉-切纳铁路沿线的轨道和电源线塔变形。
开发了几种强化冰厚永久冻土路基基础的方法。这些方法使土壤的年平均温度下降，并有助于保持永久冻土的状态，以减少变暖和增加冷却。这些技术解决方案已经在国内外出版物上发表了许多文章、报告和专著(Kondratiev, 1994, 1996, 1998, 2002, 2004, 2006, 2008, 2011)。他们已在建设试验项目中应用，如Amur-Yakutia干线，连接的Ulak-Elga铁路线，以及对Transbaikalian铁路使用的稳定措施的可行性研究。
其中一些解决方案也在中国青藏铁路上得到应用，如太阳降水。
如图4所示的保护棚。全面的数据观察网站显示温度reduc-tions从3到5°C的路基土壤。这种冷却作用提高了高冰厚永久冻土(Feng and Ma, 2006;妞妞,沈2006;冯et al .,2009)。
在俄罗斯的铁路上也曾有过太阳降水保护棚，包括在通往勒纳河(Lena River)的amuryyakut铁路上，那里有几十公里的铁路，那里有一个厚度达数十米的所谓的“冰库”。这种冰厚的开挖或机械预融化被认为是不实际的，所以这一段在所有铁路运行期间都不会融化。
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图4 2006年8月，青藏铁路在路基上的一处富含冰的土地上的遮阳篷。
2007年，一项技术研究使用这些棚屋来预防。
在路基的基础上，冻土的退化。
沿着Tommot-Kerdem的铁路是在5月5日开始的。
率的网站。这包括三个有高度的堤岸。
3.48,6.64,7.31 m，两个挖掘深度。
2.38和5.5米。
为了便于比较，在同一地点，对路堤和开挖边坡的对流石/岩石的冷却影响进行了热技术计算。结果表明,sun-precipitation防护棚有更高效率的冷却路基土壤的堤坝,防止底层冻土退化土壤,特别是当与白云石粉(反光漆)放置在基础平台的表面antiinfiltration膜安装下面。研究结果进一步表明:
在路堤和开挖的斜坡上，只有在床层深度的温度下降了10%至31%(平均22.4%)，并覆盖了沿轴的永久冻土土壤，与岩石覆盖相比。
斜坡上的堤防和发掘,使用了结合白云石粉画表面的基础平台提供了25%到35%(30.6%)的平均温度下降的深度层理和求职冻土土壤沿轴,与岩石覆盖。
斜坡上的堤防和发掘,使用了结合白云石粉末表面涂的基础平台和放置反过滤膜下面提供了28%到40%(34.6%)的平均温度下降的深度层理和求职冻土土壤沿轴,与岩石覆盖。在这种情况下，路基和路基的冷却速度比只有岩石覆盖的地方要快。在五年之后，路基土壤和大部分的路基体仍然存在于永久冻土中，而在岩石下覆盖的路基仍然是未冻结的，完全冻结只有50年之后才会发生。
对黑龙江-雅库特高速公路的热技术计算，以及在西藏的实验研究，证明了遮阳防护棚是有效的防变形装置，适用于含有冰霜土壤的地区的铁路路堤。通过对路堤及其路基的严冬冷却和夏季降水量的减少和直接太阳辐射的排除，使棚式应用的积极效果得以体现。这有助于在所有期间保持路基中冻土的高强度特性。
在东西伯利亚铁路上，在BAM上的1841公里处，自2009年(图5)开始使用了太阳降水保护棚(图5)。这些棚屋是用旧的木制铁路枕木、土工织物和泥土建造的。
俄罗斯铁路的创新和发展战略，为满足经济和社会需求，提供了通过跨西伯利亚铁路和BAM运输的潜在增长。它的目标是在折线货运列车的轴向和单位载荷，重量和长度的火车，以及它们的速度。然而，要做到这一点，就必须提高路基的条件，特别是在冰霜覆盖的地方，火车的速度几十年限制在25-40公里/小时。
提出了一种新的意识形态和改进的科学和方法- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -热分析应包括路基设计、施工和运行全过程。地质道路条件管理应成为新意识形态的基石。永久冻土带的自然冷，应作为冻土的资源，由于其显著的厚度，不能被移去或提前解冻。在道路施工和运行过程中，应在路基路基路基路基的永久冻土层中提供地面保护，或者，如果路基下的永久冻土退化已经开始，应采取措施阻止其退化。
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在多年冻土地区，铁路和公路的运行可靠性是由构筑物技术方案的选择和施工过程中有效执行的方法和后续的主要运行方式所决定的。对道路的持续保护，特别是在富含冰的土壤中，从逆向工程到地质的过程是重要的，以提供稳定和保持交通设计的速度。为了达到最有效的目的，这种保护需要系统地进行，重点是工程和地质。
监测路线。这包括提供定期的审查和控制，技术分析，以及提供的时间和预报在冰冻条件下的变化。这样一种方法可以检测和减轻不良和不利的低温过程。这种监测系统的概念是为建造的Berkakit-Tommot-Yakutsk铁路开
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