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多年冻土区铁路路基稳定性评价方法适用性探讨

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  • 用途: 硕士毕业论文 Master Thesis
  • 作者:上海论文网
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  • 论文字数:34215
  • 论文编号:el2022020311030327576
  • 日期:2022-02-03
  • 来源:上海论文网

工程管理论文哪里有?笔者在分析几种常用稳定性模糊评价方法评价特点的基础上,确定了模糊综合评价法和突变级数法是最适用于多年冻土区铁路路基稳定性评价的方法。在此基础上,系统阐述了上述两种方法的评价原理和具体步骤,建立了模糊综合评价模型和突变模型。然后基于前文建立的稳定性评价指标体系以及参考文献,采用层次分析法确定了路基稳定性模糊综合评价的指标权重和突变级数法的评价指标分级,为后续路基稳定性评价奠定了基础。


第一章 绪论


1.2 国内外研究现状

1.2.1 多年冻土区铁路工程建设及运行现状

随着当今经济的飞速发展,常规地区自然资源日渐匮乏,人类将探索的目标逐渐转移到蕴含着丰富森林、矿产等自然资源的多年冻土区。俄罗斯是最早开展大规模冻土区铁路工程修筑的国家,该过程开始于上世纪 20~30年代,其中第一条西伯利亚大铁路是最著名的一条冻土区铁路,该线路始建于 1895 年,全长达到了 9446km,穿越多年冻土区长度达到了 2200km 以上。在上世纪 70 年代末,俄罗斯又修建了贝加尔–阿穆尔铁路,该铁路干线穿越的多年冻土区总长度达到了 3500km以上[12]。美国和加拿大的铁路则分别穿越多年冻土区的长度为 380 km 和 611km[6]。

我国在东北修建的牙林线和嫩林线两条铁路共穿越总里程为800km左右多年冻土区,在西北地区也修筑过穿越冻土区的铁路。在经历 50 多年的波折之后,青藏铁路终于在2001 年正式开始建设,并于 2006 年实现通车。该铁路的建成通车是全球范围内冻土工程研究的重大成果,将我国冻土工程研究推向了世界前沿。

现场调研结果表明,目前已经投运的冻土区铁路工程均不同程度存在病害,其中俄罗斯贝阿铁路的病害率在 1994 年便达到了 27.7%,贝加尔铁路在运营了一百多年后的病害率高达 40.5%。我国东北冻土区铁路甚至还发生过短期内路基大幅沉降的事故,整体病害率也达到了 40%以上[13]。青藏铁路虽然被认为是一项十分成功的冻土区铁路工程,但仍然存在路基普遍沉降的问题[11]。尤其是在高含冰量地段,工程病害更加发育,在青藏铁路在开通的前 5 个月中发生了超过 60 余例此类病害[14]。

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第三章 多年冻土区铁路路基稳定性评价模型


3.1 评价模型的建立

3.1.1 评价方法的选择

在不同区域进行公路或铁路路基建设及运维过程中,基于区域的气候、地质及工程条件建立路基稳定性评价模型对于工程设计、运维管理等工作都具有很好的作用。目前,多种方法(如神经网络法、突变级数法、遗传算法及模糊综合评价法等)都被成功应用于路基稳定性评价。在这些方法中,神经网络及遗传算法的计算过程较为复杂,或需要大量的实测数据来对模型进行训练和预热,提升评价结果,从而对单个断面稳定性未来的变化过程进行预测。由于路基稳定性评价过程中多数情况下除了相关的地质、工程及环境条件外没有其它观测资料,这一特点导致神经网络算法是无法驱动的,即该方法在路基稳定性评价中的应用范围较窄,不适合广泛使用,因而本文不对上述方法进行评价。突变级数法和模糊综合评价法都是基于模糊函数建立的,该特性对于缺乏实测资料的路基稳定性评价具有较好的应用基础,因而具有更广泛的应用前景,因而本文对上述两种方法的适用性开展评价。

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第四章 案例分析——以青藏铁路为例


4.1 青藏铁路基本情况

青藏铁路起始于青海省西宁市,连接西宁市与西藏自治区拉萨市。该铁路的建设始于上世纪 50 年代末,于上世纪 80 年代完成了青海省西宁市至格尔木市的一期工程。然而,格尔木至拉萨的二期工程需要跨越青藏高原多年冻土腹地,受到多年冻土复杂热力稳定性的影响,二期工程的施工大幅延后,在进行了大量的冻土工程研究的基础上,该工程直至 2000 年才正式开工建设,并于 2006 年建成通车。

4.1.1 冻土地质情况

青藏铁路跨越了青藏高原 550 多公里的多年冻土区,沿线多年冻土总体上表现为高温、高含冰量的特性。受到这种冻土特性的影响,青藏铁路下伏多年冻土对温度的变化极为敏感,冻土地基很小的温度升高都会引起其力学强度的降低,从而导致上伏路堤的大幅沉降,从而降低路基的稳定性,因此,冻土地质状况沿铁路的分布对于路基稳定性的分布状况具有重要的影响。

总体上,青藏铁路沿线的多年冻土分布于西大滩至那曲段。在冻土温度方面,受到气候变暖及人类工程活动的影响,该沿线多年冻土正发生着快速的退化。对于其中地温较高的西大滩、沱沱河、通天河、安多、那区以及部分受到河流、热融湖塘等影响的区域,冻土退化更为显著,形成高温极不稳定冻土,部分区段多年冻土甚至已经完全融化,形成季节冻土。在昆仑山、风火山、唐古拉上等海拔较高的山区,虽然多年冻土正经历着快速的升温过程,但冻土温度总体上低于-2℃,处于基本稳定状态。而在楚玛尔河高平原、五道梁盆地、乌丽盆地等平原或河流盆地,多年冻土总体上升温至-1~-0.5℃的欠稳定状态[46]。在含冰量方面,在高山坡度较大的山坡位置,总体上含冰量较小,但在坡度较小的山前缓坡、河谷盆地或高平原地带,则总体上含冰量较高。


4.2 典型铁路冻土路基稳定性评价

4.2.1 评价路段参数

基于相关参考文献,本文选取了以下冻土、工程、环境及地质条件相对较为明确的青藏铁路断面分别采用两种方法进行稳定性评价,由于缺乏目前的资料,本文仅评价路基运行 5 年后的稳定性。

(1)铁路里程 K0979+660,位于昆仑山,在冻土条件方面,该路基所在区域年平均地温为-3.17℃,体积含冰量 10-20%,冻土上限埋深小于 2m;工程方面,该路基未采用地温调控措施,断面类型为填土路基,目前服役时间为 14 年;环境方面,该区域年降水量 100-200mm[72],风沙较少,年平均积雪厚度 10-20cm[73],断面周围无明显地表积水;工程地质方面,2.5m 深度内为砂砾石土,以下为泥灰岩,地下水埋深大于 30m,构造活动强度为 0.3-0.5[40]。

(2)铁路里程 K1045+360,位于楚玛尔河高平原,在冻土条件方面,该路基所在区域年平均地温为-1.5℃,体积含冰量 30-50%,多年冻土上限埋深 2-3m;工程方面,该路基采用块石冷却路基,为单一主动冷却措施,断面类型为填土路基,目前服役时间为14 年;环境方面,该区域年降水量 100-200mm[72],风沙较少,年平均积雪厚度 5-10cm[73],断面周围无明显地表积水;工程地质方面,2.5m 深度内为砂砾石土,以下为泥灰岩,地下水埋深大于 30m,构造活动强度小于 0.1[40]。

(3)铁路里程 K1082+575,位于五道梁区域,在冻土条件方面,该路基所在区域年平均地温为-1.7℃,体积含冰量大于 50%,多年冻土上限埋深为 1.8m;工程方面,该路基采用块石护坡路基,属于单一主动冷却路基型式,断面类型为填土路基,目前服役时间为 14 年;环境方面,该区域年降水量 200mm[72],风沙较少,年平均积雪厚度 4-8cm[73],断面周围无明显地表积水;工程地质方面,2.5m 深度内为砂砾石土,以下为泥灰岩,地下水埋深大于 30m,构造活动强度为 0.3-0.5[40]。


第五章 结论与展望


5.2 问题与展望

在本文的路基稳定性评价中,采用了较多的参数,多数参数都是根据已有参考文献获得的,但是部分参数如风沙、路基周围积水情况、岩性、地下水埋深等参数都缺乏准确的数据,是基于作者的认知赋值的,存在一定的主观性,尤其是地表积水状况的赋值可能存在较大误差。这些参数可能存在的不确定性可能对评价结果造成一定的误差。

由于作者水平的限制,对两种评价方法的应用可能存在一定问题,尤其是突变级数法,本文得出的该方法评价效果较差可能也是受到作者应用水平的影响。

现有的路基稳定性的评价方法除本文所用的两种方法外还有神经网络法、遗传算法等,但是由于我水平限制及实测数据不足,本文只对比了模糊综合评价法和突变级数法在多年冻土区铁路路基稳定性评价中的适用性。

参考文献(略)

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