（自然地理学专业论文）黑北公路沿线冻土特征及其对路基稳定性的影响.pdf

摘要 多年冻土是指冻结状态持续三年以上的土层。我国东北地区的多年冻土主要 集中在大、小兴安岭，属于古代冰川沉积残留物，目前处于退化阶段，具有低海 拔、高纬度、不稳定的特点，修建公路面临巨大困难。从沥青路面来看，由于沥 青具有吸热封水的作用，造成冻土地区特有的道路病害，如：春秋季翻浆，路面 冻胀破坏，路基热融下沉等。严重影响公路效益的发挥。 本文通过对黑北公路部分路段综合调查、实验、分析，对多年冻土地区路基 稳定性进行研究，以期对低海拔、高纬度多年冻土地区的路基路面设计、施工提 供可靠的依据。筑路后，由于路基路面材料与原有地面的性质差异较大，加之工 程建设中对植被的破坏，使得太阳辐射的下挚面性质改变，从而对热辐射的吸收 率、反射率及蒸发散热等条件都得以改变，这必然使得地层与大气热过程改变， 从而可能导致地下冻土失去原有的热平衡状态，产生融沉。对于不同形状、高度 的路基及不同性质的路面和不同情况的原地面条件，会组合出许多的新的换热条 件，因而需要针对不同情况，寻找一个各个因素之问的最佳配合，使得筑路后地 下冻土层在薪的换热条件下仍然稳定而不退化。另外，土的冻胀也会影响到路基 的稳定性。通过对土的冻胀机理的研究，并以室内试验模拟了路基土在压实状态 下，总结冻结条件的冻胀特性，得出路基防冻的主要措施。 关键词：多年冻土；融沉；冻胀；防冻措施 a b s t r a c t m a n yy e a r sf r o z e ne a r t hr e f e r st ot h es o l ll a y e rh a sb e e nf r o z e nf o rm o r et h a n t h r e ey e a r s t h em a n yy e a r sf r o z e ne a r t hi nn o r t h e a s to fo u rc o u n t r yi sm a i n l yf o c u s e d o nl a r g ea n ds m a l lx i n ga nm o u n t a i nr a n g e i tb e l o n g st ot h el e f t o v e r so fa n c i e n t r y g l a c i a ld e p o s i t a n da tt h ep r e s e n tt i m ei ti sb e i n gd e t e r i o r a t e b u ti ti sv e r yd i f f i c u l tt o c o n s t r u c tar o a d0 ni tf o ri t s c h a r a c t e r i s t i c so fl o we l e v a t i o n ，h i 吐l a t i t u d ea n d u n s t a b l e n e s s f o ra s p h a l tp a v e m e n t t h ef u n c t i o no fi t s d e c a l e s c e n c ea n ds e a l i n g w a t e rm a k e st h ef r o z e ne a r t hf o r m e dp r o p e rp a v e m e n td i s e a s e f o re x a m p l e ：f r o s tb o i l i ns p r i n ga n da u t u m n ，f r o s th e a v eo fp a v e m e n ta n dh o tm e l ta n ds i n k i n go fr o a d b e d 。 e t c a l lo f t h e s ed i s e a s e sa f f c c tt h ep a v e m e n t sb e n e f i t ss e r i o u s l y t h i sp a p e ri sar e s e a r c ho ft h es t a b i l i t yo fr o a d b e di nm a n yy e a r sf r o z e ne a r t h a r e a , a n di ti sb a s e do nt h es y n t h e t i c a li n v e s t i g a t i o n s 。e x p e r i m e n t sa n da n a l y s i so f s o m es e c t i o n so fh e ib e i h i g h w a y , 谢t i lt h eh o d eo fp r o v i d i n gc r e d i b l eb a s i st ot h e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h er o a d b e d sa n dp a v e m e n t si nm a n yy e a r sf r o z e ne a r t h a r e aw i t hl o we l e v a t i o na n dh i g hl a t i t u d e a t i e rt h ec o n s t r u c t i o n t h eh u g ed i f f e r e n c e s b e t w e e nt h em a t e d a l so fr o a d b e d sa n dp a v e m e n t sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e o r i g i n a le a r t h t o g e t h e rw i t ht h ed e s t r o yt ot h ep l a n t i n gd u r i n gc o n s t r u c t i o nc h a n g et h e c h a r a c t e r i s t i c so fs u nr a d i a l i z a t i o n su n d e r l y i n g 。a n dt h e nt oc h a n g et h ea b s o r p t a n c e ， e f f e c t i v i t ya n dt h ee v a p o r m i o n sc o n d i t i o no fh e a tr a d i a l i z a t i o n t h e s ec h a n g e s i n e v i t a b l yc h a n g et h et h e r m a lp r o c e s so fg r o u df l o o ra n da t m o s p h e r e 。a n dt h e nm a k e t h eu n d e r g r o u n df r o z e ne a r t hl o s e ni t s o w nb a l a n c ep o s s i b l y , s e q u e n t i a l l y , t h a w c o l l a p s ea p p e a r e d r o a d b e d s 谢t hd i f f f e r e n ta p p e a r a n c e sa n dh e i g h t s p a v e m e n tw i t h d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i e sa n do r i g i h a lp a v e m e n tw i t hd i 腩r e n tc o n d i t i o n sc o u l df o i t n m a n yn e w c o n d i t i o n so f h e a t - t r a n s f e r , s oi ti sn e c e s s a r yt of i n dt h eb e s tc o o r d i n a t e n e s s t 0k e e 口t h ef r o z e ns o i ll a y e rb e i n gs t a b l ea n dw i l ln o td e g e n e r a t ea f t e rc o n s t r u c t i o n u n d e rn e wc o n d i t i o n so fh e a t - t r a n s f e r i na d d i t i o n f r o z g nh e a v ew i l la l s oa f f e c tt h e s t a b i l i z a t i o no fr o a d b e d s t l l i sp a p e rf i n do u tt h em a j o rm e a s u r e sf o ra n t i f r e e z i n ga n d t h et h e o r yo f a n t i f r e e z i n gd e s i g nt h r o u g ht h er e s e a r c ho f f r o z e nh e a v em e c h a n i s ma n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff r o z e nh e a v e sc o n d i t i o no fo p e nf r o s t t h er e s e a r c hi sb a s e do n t h ei n d o o re x p e r i m e n t so ft h es i m u l a t e dr o a d b e du n d e rt h ec o n d i t i o no fb e i n g c o m p a c t i n g k e yw o r d s ：p e r m a f r o s ts o i l ；t h a wc o l l a p s e f r o s th e a v e ：m e a s u r eo ff r o s tp r o t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东北师范大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：掉日期：边芦j 业 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：i l 毒指导教师签名：，2 丛 日 期：星醇聋日期：垒竺丑：节 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 第一章绪论 一、问题的提出及研究意义 随着我国交通运输事业的蓬勃发展，公路建设脚步逐渐加快，在多年冻土地 区修建高等级公路对于开发和利用冻土地区的国土资源和发展国民经济，都势在 必行。 多年冻土是指冻结状态持续三年以上的土层。根据目前的资料，多年冻土在 地球上的分布约为3 5 1 0 6k f ，约占全球陆地面积的2 5 。多年冻土主要分布 在阿拉斯加、西伯利亚等广阔地区。此外多年冻土还分布在南极和格陵兰的无冰 川覆盖地段和冰盖边缘的地下，以及南美和中亚的高山地区。除澳大利亚大陆外， 地球上所有的大陆均有多年冻土分布。我国的多年冻土区面积约为2 ，1 5 0 ，0 0 0 k s ，占世界第三位，主要分布在东北大、小兴安岭，西部高山和青藏高原等地。 东北的多年冻土位于欧亚大陆高纬度多年冻土区的南缘，最南端达北纬4 6 6 。 青藏高原的多年冻土位于高海拔多年冻土南界以南，属于高海拔的多年冻土。 我国东北地区的岛状多年冻土属于古代冰川沉积残留物，目前处于退化阶段 u j 。具有低海拔、高纬度、不稳定的特点，修建公路面临巨大困难。从沥青路面 来看，由于沥青具有吸热封水的作用【2 】，造成冻土地区特有的道路病害，如：春 秋季翻浆，路面冻胀破坏，路基热融下沉等，严重影响公路效益的发挥。本文通 过对黑北公路部分路段综合调查、实验、分析，对多年冻土地区路基稳定性进行 研究，以期对低海拔、高纬度多年冻土地区的路基设计、施工提供可靠的依据。 二、国内外研究现状 二战后，前苏联在多年冻土地区修建了道路和工业基础设旌，其中许多经验 和技术在我国东北多年冻土地区修筑铁路中得到应用，并开展了与温度场有关的 热力学、热物理学、工程建筑物稳定性等方面的实验研究和以解析为主的理论研 究【3 1 。1 9 世纪6 0 年代以后，随着西伯利亚的开发，铁路的建设，开始对冻土进 行了广泛的研究。在1 9 0 4 年至1 9 1 4 年修建的阿尔铁路常因冻融影响而损坏，每 年要耗费大量资金维护，促使进一步对冻土工程地质的研究，并在后来的贝加尔 阿穆尔铁路干线修建中完成了大量的冻土研究工作。前苏联在冻土力学、冻 土温度状况计算等理论分析方面有其独到的见解，对我国冻土研究有很大的借鉴 作用。2 0 世纪初，伴随着阿拉斯加和加拿大西北部采矿、伐木业的发展，美、 加修建了这一地区最早的一批道路，至2 0 世纪4 0 年代，为满足汽车交通的需要， 阿州道路委员会和美国公路道路局先后完善了该州主要道路。在处理多年冻土融 沉问题时进行了许多尝试。1 9 6 3 年为增强沥青路面的反射能力 4 j ，采用了反射表 面刷漆罩面；1 9 6 9 年为了降低路基下的融深，采用了塑料泡沫隔热层；1 9 8 5 年 为了增强由于冻土融化而导致路基强度降低，使用了填土构造物；1 9 9 5 年，为 了降低道路内的温度，采用了对流路基。此外，国外道路界、冻土界学者们在保 护冻土方面也采用了一些措施，如美国阿拉斯加运输局1 9 6 9 年扩建b e t h e l 机场 跑道时，在处理多年冻土融沉问题时，采用了一种叫做“t h e r m o t u b e s ”( 热探 针) 的散热装置【5 】，但效果并不理想。 我国在7 0 年代中期到9 0 年代中期，修筑了青藏公路，冻土地区道路建设取 得了丰富的科研成果 6 j 。在高原多年冻土地区公路工程地质研究中，采用探地雷 达于钻探相结合的综合勘探方法，取得了公路沿线详细、连续的冻土工程地质资 料，根据青藏公路冻土温度与气温、海拔、纬度的关系，提出路基工程地质分区、 分类，对公路的建设、养护及环境保护有重要意义1 7 1 ，并提出冻土路基设计以“保 护冻土、控制融化速率”及“综合治理”为设计原则引。目前对冻土地区的研究 主要是从工程地质角度来研究冻土的成分、结构、冻土层的分布、厚度、温度动 态以及与地表水、地下水的相互作用，季节冻融层的热融过程与现象等，形成了 关于冻土形成、发育及分布等一系列认识。 2 三、本文研究的主要内容 本文在以往研究的基础上，以黑北公路沿线为例，研究其冻土分布及特征， 并以多年冻土路基实验结果和技术发展状况，结合工程实际，对冻土路基稳定性 作进一步探讨，为冻土工程的更深入研究起到推动作用。 1 对黑北公路部分路段进行调查，包括多年冻土分布、低温状况、路基填 料组成等。 2 通过野外和室内实验，研究多年冻土的工程性质。 3 从传热学角度研究多年冻土在天然及筑路后的热稳定性条件，分析不同 因素对路基稳定性的影响。 4 归纳总结保障多年冻土路基稳定的措施。 第二章黑北公路沿线冻土的基本特征及分布 黑北公路是黑河至大连公路的黑河市至北安段，也是2 0 2 国道的北段，北起 黑龙江边的黑河市，南至北安市的二井子镇，全长2 4 3 公里。路线跨越小兴安岭， 其地理位置为：东经1 2 6 。2 4 1 2 7 0 2 7 ，北纬4 8 。2 0 5 0 。1 57 。该地段位于我国东 北小兴安岭西坡及松嫩平原北部，是我国岛状多年冻土分布区，属于低海拔、高 纬度岛状多年冻土区。 一、东北地区冻土的分布 东北大小兴安岭地区气候十分寒冷，有我国的北极之称，亦为我国主要发育 多年冻土的地区之一。根据多年冻土分布规律和特点，可分为大小兴安岭高纬度 多年冻土和长白山、黄岗梁高山多年冻土两种类型。前者受纬度地带性变化规律 的控制，同时又受到区域性因素( 如海拔、山脉走向以及森林植被等) 干扰，后 者只服从于海拔高度变化控制。 东北地区的冻土属于高纬度多年冻土，在各种地质、地理等自然因素影响下， 形成以谷地为中心，逐渐向两侧展开的分布形式。具有地温低、冻土厚度大、分 布面积广的基本特征。它既不同于西伯利亚和北美的多年冻土，也不同于我国青 藏高原的多年冻土，称为“兴安谷地型”多年冻土f 9 】。根据年平均气温、地温、 厚度及分布的连续性程度，自北向南分为：大片连续多年冻土、岛状融区多年冻 土、岛状冻土、季节性冻土等类型( 见图1 ) 。 4 图1 东北地区冻土分布图 注：1 大片连续多年冻土；2 岛状融区多年冻土；3 岛状多年冻土；4 河谷融区；5 基本无多年冻土河谷；6 多年冻土分区界线；7 多年冻土厚度等值线及厚度恤) ；8 地温等 值线及地温( ) 。 1 大片连续多年冻土主要分布在大兴安岭最北部，东部分布以谷地为中心， 向两侧展开。谷地多年冻土厚度最大( 大于l o o m ) ，低温较低( 一4 2 c ) ，而阳 坡和东坡的冻土分布则不及谷地，如此规律直至多年冻土南界。该区属寒温带， 植被主要为天然落叶松林。 2 岛状融区多年冻土分为两部分，纬度岛状融区多年冻土和高度岛状融区多 年冻土。前者是大片连续多年冻土向南的延伸部分，主要分布于大片连续的多年 冻土以南和年平均气温一3 c 等值线以北，总的受控于纬度变化。除具有大片连续 多年冻土的基本特征外，主要是各种融区逐渐扩大，森林植被在干旱阴坡地带明 显减少除大河流融区外，中小河流也明显出现融区，多年冻土的分布面积在 6 0 以上内。高度岛状融区多年冻土分布在阿尔山一带。虽然本区地处大兴安岭 多年冻土南界附近，但由于地势较高( 1 5 0 0 m 以上) ，故气温略呈垂直性变化， 年平均气温一3 3 ，年平均地温- 0 5 - 1 o c ，多年冻土厚度2 0 3 0 m ，面积约占 5 5 0 一6 0 。 3 岛状多年冻土主要是呼伦贝尔高原岛状多年冻土，大兴安岭东坡岛状多年 冻土及小兴安岭岛状多年冻土。 ( 1 ) 呼伦贝尔高原岛状多年冻土主要分布于大兴安岭西坡呼伦贝尔草原一 带。年平均气温较高，降雨量较小，所以冻土平均地温也较高( 0 一0 5 。c ) 。冻 土厚度一般不大于1 5 米，动土主要分布于低洼湿地、湖滨沼泽地、山间洼地等。 ( 2 ) 大兴安岭东坡岛状多年冻土主要分布于嫩江流域以西以及岛状融区多年 冻土地区和呼伦贝尔高原岛状多年冻土地区以东，由于寒冷气流受到大兴安岭主 脉阻挡，所以大兴安岭东坡气温较西坡明显升高，年平均气温o 一3 。c ，年平均 地温o 一1 0 1 2 ，多年冻土厚度由几米至3 0 多米不等，厚度由西向东和由北向 南变薄。 ( 3 ) 小兴安岭岛状多年冻土。小兴安岭地形狭长，海拔高度较小( 5 0 0 一1 0 0 0 m ) 年平均气温0 一1 o 。c ，年平均地温0 一0 5 c ，多年冻土厚度几米至3 0 米。 二、黑北公路沿线冻土的特征 ( 一) 黑北公路沿线自然地理特征 1 气候特征 黑北公路沿线地区气候寒冷i 面湿润，很接近寒温带的气候特征。冬季寒冷而 漫长，夏季温和却短促。据孙吴县气象站资料，从1 9 5 4 1 9 9 9 年平均气温为一0 8 8 ，最高气温为3 5 2 3 c ，最低气温为一4 8 1 3 c 。从孙吴地区1 9 5 4 1 9 9 9 年的年 平均气温变化过程( 图2 ) 可以看出，该地区4 6 年来整个气候变化可以分为两 个较为明显的阶段。1 9 5 4 1 9 8 0 年为气候稳定阶段，在此期间，多年平均气温约 为一1 6 c 。除1 9 7 5 年年平均气温高于o c 外，其余年份的年平均气温均低于0 ，且在一1 6 c 周围波动变化。自1 9 8 0 年起，年平均气温开始出现明显的升高 趋势，年平均升温速率达0 0 8 7 c 年，这一升温速率高于全球平均水平( o 0 3 1 2 年) ，也高于全国水平( o 0 6 7 ( 2 年) 。8 0 年代升温较9 0 年代更为剧烈。 6 图2 孙吴县年平均气温变化曲线 孙吴地区每年l o 月进入大地冻结期，次年4 月地表开始融化。冻结期间， 年平均冻结指数为3 0 0 0 - 一3 3 0 0 d ，无霜期约为9 2 天。全区近地表均能冻结 形成冻土，地中达到最大冻结深度的时间为5 月底。气象站观测到的最大季节冻 结深度为2 2 6 - - 2 6 7 m 左右( 见表1 ) ，实际上，在山区地带，最大冻结深度要 超过此值。4 - 呻月为消融期，季节冻土的消融时间，干燥地带约7 月初全部消 融，在沼泽化的巨厚层泥炭和腐殖土地带，可延迟至1 0 月底才能全部消融。本 区季节冻土非常发育，且有岛状多年冻土分布。 表1 黑河至北安地区( 气象站) 最大季节冻结深度 地点爱辉孙吴嫩江逊克克山 最大冻深 2 5 72 2 62 2 62 2 12 6 7 ( 咖) 孙吴地区气象资料，多年平均年降水量为5 6 4 毫米。近2 0 年来，最多的年 降水量为1 9 8 4 年和1 9 9 3 年，分别为7 1 3 1 毫米和6 8 7 5 毫米。最大积雪厚度为 3 1 厘米( 见表2 ) 表2 黑河至北安地区( 气象站) 最大积雪厚度 地点爱辉孙吴嫩江逊克克山 最大积雪厚度 2 53 l2 1 3 41 7 ( c m ) 7 2 河流、植被及地质构造特征 黑北公路沿线分布的主要河流有陶河、公别拉河、卧牛河、逊河、辰清河、 引龙河等，另外还有部分支流小河。大部分河流横穿公路，部分支流平行于公路。 除引龙河流向嫩江水系外，其余河流均流入黑龙江水系。这些河流有较大的径流 量，影响着河流两侧的冻土发育。 根据黑龙江省区域地质志等有关资料介绍，黑河孙吴一北安线路，从 地质构造区分是属于中部小兴安岭的西缘地带。小兴安岭的东部属于老爷岭台背 斜，西部则属于大兴安岭褶皱带，中间为孙吴地堑将两者隔开。局部见有晚印支 期花岗岩，还有侏罗自垩纪火山岩和沉积岩地层。新生代时期，孙吴地堑发生， 成为断陷盆地，地形比较平缓，广泛沉积的是大面积的第三纪孙吴组地层，第三 世纪末和第四世纪初，中部小兴安岭发生地垒式的断块上升运动( 西北部和东南 部小兴安岭也发生上升) ，伴随玄武岩的喷发。在这样的内外应力作用下，目前小 兴安岭的地貌表现为相对高度不大的低山丘陵及丘陵性高原，总的地势是西北部 高，中部较低。在地形上为高平原状态，地面最大海拔高程一般为6 5 0 _ 7 5 0 米 左右，切割微弱，山岭浑圆，洼地平缓，山地与山间谷地相间排列为主要地貌特 点。 黑北公路沿线涉及的地层有，白垩系的下白垩统西岗子组及上白垩统嫩江 组，第三系中新统一上新统孙吴组地层。白垩系西岗子组为黑、灰色泥岩、粉砂 岩夹煤层和嫩江组的黑色泥岩、页岩、油页岩、灰绿色泥岩加细砂岩。孙吴组整 套地层以河流相为主的粗碎屑沉积建造，并夹有河流滞水相及湖相的细碎屑沉积 建造。岩性由棕褐色、灰色、灰黄色砂粒岩和少量的薄层泥岩组成，以含铁为特 征。除局部胶结或铁制胶结，成岩较好外，绝大部分是微胶结或未胶结，层岩松 散。 小兴安岭的植被整体上仍以红松为主的针阔混交林。局部地段有人工种植的 针叶林。沟谷地带发育着以塔头草为主的喜水草甸植物。 沼泽湿地在本地区的分布相当普遍，由以河流阶地、沟谷最为发育，平缓山 岭上也常有分布，成为高位沼泽湿地。岛状多年冻土的存在为沼泽湿地提供了良 好的发育条件，同时沼泽化湿地发育也延缓了多年冻土的退化过程。在排水较差 的平坦山岭、漫岗地方有白浆化土质，特别是母质较粘的地方( 如河谷平原、阶 8 地平原地) 往往有白浆土发育。沟洼地段，草甸暗棕色的腐殖土常发育成为泥炭。 黑龙江省的地震皆为构造地震，多沿着活动性断裂发生。自有历史记载以来， 共记录4 级以上的地震2 6 次。在黑北公路勘测中，见有第四系松散层，第三系 砂粒岩、砂泥岩，白垩系泥岩，印支及燕山期的二长花岗岩和花岗闪长岩。区段 内第四系地层的成因类型主要为残坡积、坡积、洪坡积、及冲积，松散层中有岛 状多年冻土分布。勘测控制深度所见地层情况： ( 1 ) 白垩系泥岩 主要为西岗子组及嫩江组的黑色、灰色以及灰绿色泥岩、粉砂质泥岩。属软 质岩石。全风化后成为粘土，潮湿时松软，干燥时坚硬，强风化带中多成碎块状。 辰清以北地段多属于下白垩统西岗子组，以南地段则属于上白垩统嫩江组。 ( 2 ) 第三系砂砾岩 线路的6 0 地段均分布着中新一上新统孙吴组砂岩、砂砾岩，多呈灰、灰黄 色，含有铁质的黄褐色。粗砂含砾石、卵石，松散，微胶结或无胶结，具有水平 层理、斜层理和交错层理，层理清晰，具有较好的分选性。岩层中夹有灰绿色的 泥岩薄层，全风化为粘土和粉质粘土，潮湿时成稀泥、松软，干燥时则坚硬如岩。 ( 3 ) 第四系松散岩层 腐殖土一草炭，黑一黑灰色，含有草根。几乎全路线上的地表层都有不同厚 度的腐殖土层，山岭山厚度约o 2 米，山坡地带约0 5 米，在低洼的沼泽地，厚 度为o 5 1 0 米左右。山岭及坡地一般较干燥，低洼湿地则往往呈潮湿一饱和状 态，具有高压缩性。 泥炭，黑色，含有一些草根及亚粘土质。主要分布于低洼的沼泽化湿地中， 厚度为o 5 _ _ 2 0 米。绝大部分呈饱和状态，具有高压缩性。部分地段的下部处于 冻结状态，为整体微层状冻土构造，具有强融沉性。 亚粘土，亚砂土，粘土。灰黑色一黄色，粘性大，全线分布广泛，一般分布 于山坡洼地的腐殖土、泥炭层下部。部分地段为粘土。多呈湿潮湿状态，可塑。 承载力为1 4 0 - - - 2 0 0 k p a 。厚度1 o l o 0 米。有些地段处于冻结状态，属于多年 冻土，多具整体状微层状层状冻土沟造，地下冰层可见厚度常为2 一l o 咖 左右，个别地段可达5 0 m m ，具融沉一强融沉融陷性。 粗砂、细砂。灰一灰白一灰黄色，局部含有粘土亚粘土，稍密一中密，饱和 9 潮湿，以石英、长石为主。承载力为1 5 0 - - - 2 0 0 k p a 。厚度约o 3 一1 3 米，部分地 段成冻结状态，为整体状冻土构造，融化后为饱和过饱和状态，具融沉一强融沉 性。 3 水文地质特征 此次勘察范围内见到对路基能产生影响的水体主要有：地表水、地下水以及 地下冰。 ( 1 ) 地表水 地表水主要分布于河流、沟谷溪流、沼泽湿地等。其补给来源为大气降水及 山坡地带出露的泉水。主要排泄于河流、溪流，其次是蒸发回归于大气和渗透补 给地下水。因此，其水量的大小自己要取决于大气降水量，6 _ - 9 月的降水量占 全年的7 9 4 6 ，其中7 、8 月的降水量为全年的5 4 9 2 。冬季期间，绝大部分 冻结成冰。 ( 2 ) 地下水 根据调查和探孔资料，以及黑龙江省公路勘察设计院的相关资料可知，沿线 的地下水赋存的主要形式有： 基岩空隙、裂隙水：赋存于第三系砂砾岩、砂泥岩及白垩系泥岩中。水量一 般较小，在高地、斜坡地带有小量的泉水出露。主要受大气降水补给，部分地区 有地下水补给。一般说，随地势增高，地下水也相应的升高。路线切割较高地带 时，可能出现地下水渗出现象。根据黑龙江省地质局资料，孙吴县附近的泥页岩 裂隙较发育地带含有裂隙水，其下伏砂岩、砂砾岩含水层，含孔隙承压水，构成 区内碎屑岩类裂隙、孔隙水。 第四系松散层中孔隙水：大部分河谷阶地、沼泽化湿地中具有较丰富的地下 水。大气降水及高处的孔隙水成为其主要补给来源，地下水位几乎接近地面。在 相对高度为o 1 2 0 米的洼地、斜坡地带，孔隙地下水的水位较浅，一般为 o 5 一1 0 米左右。相对高度为2 o 一1 0 0 米的斜坡地带，地下水位埋深也相应地 增大，一般为1 o _ _ 2 0 米。相对高度达1 0 米以上的山岭地带，地下水位埋深比 较深，达2 o _ - 4 0 米以上可见，地下水位对地基土冻胀产生影响的地带，主要在 地下水位小于2 米的斜坡、洼地及沼泽化湿地等地段。 ( 3 ) 地下冰 1 0 分布于岛状多年冻土地带，以固态的冰层形式存在于冻土当中。饱冰冻土、 含土冰层融化后的含水率通常可达4 0 _ - 8 0 。一般来说，地下冰只是多年冻土的 组成成分，很少参与地下水的循环。但是多年冻土存在地带，地下水位往往表现 为冻土上限以上的冻结层上水，或冻土下限以下的冻结层下水，参与地下水的循 环过程。线路经过多年冻土地段时，则依据冻土的融沉性对工程的影响作出评价。 ( 二) 冻土的勘探 多年冻土的工程勘探是冻土工作的最基本、最重要的工作。在多年冻土区进 行工程勘探时，为缩短勘探周期，提高勘探质量，应采用物探、坑探和钻探等相 结合的综合勘探方法。在这些勘探方法中钻探是最常用、最简单有效的方法，尤 其在定测阶段，该方法是采用的最主要的勘探方法。准确掌握多年冻土地区工程 钻探的一般规律和特殊要求，才能提供准确有效的勘探资料，为多年冻土地区工 程勘察作好基础工作。表3 中的数据为黑北公路部分路段冻土分布。 表3 沿线冻土分布范围及冻土上限 分布范围冻土上限冻土厚度覆盖层土类 冻土层土类 淤泥质低液限粘 k 1 4 0 + 3 0 0 k 1 4 2 + 2 0 01 7 2 81 5 3 o 砾石土 士和草皮砾石士 砾石士、砭粘土和 k 1 5 8 + 8 0 0 x 1 6 0 + 8 0 02 o 2 82 o 4 5 砾( 碎) 石土 草皮 低液限粘土和草 k 1 6 4 + 2 0 0 k 1 6 4 + 8 0 01 2 2 82 o 4 0碎石土 皮碎石七 草皮、砾石土和低 k 1 7 6 + 5 0 0 k l ? 9 + 5 0 02 82 o 3 5砾石土 液限粘土 从表上可以看出冻土上限最深处为2 8 m ，而冻土的厚度最高仅为4 。冻土 上限深度在岛中心地带较小，在岛边缘地带较大，这说明冻土从岛边缘外侧逐步 向岛中心退化。季节活动层主要为黑色低液限粘土，地表腐殖土较厚，保温条件 良好。冻土结构主要为网状，冻土成分主要为碎砾石土。 ( 三) 沿线冻土工程地质评价 根据地基土岩性，冻土特征及融化，冻胀特性，沿线冻土分为三类( 见表4 ) ： 表4 黑北公路部分路段冻上分类 分布范围 冻土分类 对道路工程的影响 k 1 4 0 + 3 0 0 k 1 4 2 + 2 0 0少冰冻t 第一类 k 1 5 8 + 8 0 0 k 1 6 0 + 8 0 0 多冰冻七第二类 k 1 6 4 + 2 0 0 k 1 6 4 + 8 0 0 饱冰冻土与含图冰层第三类 k 1 7 6 + 5 0 0 k 1 7 9 + 5 0 0 少冰冻上第一类 第一类：良好的冻土工程地质地段。主要岩性为碎、砾石土及低液限粘土( 亚 粘土、亚沙土) 和低液限粉土( 亚粘土) ，含水量较少，为少冰或多冰冻土，冻 胀系数k a = o 0 2 8 ，融沉系数a - - o 0 2 5 ，有一些轻微的冻胀和融沉。路基 基本稳定，未出现下沉和冻胀现象。对路基可不考虑冻土地基的融化及冻胀，按 常规融土的设计原则进行设计。对桥涵基础可直接作为地基使用，按季节冻土区 的设计原则进行设计。 第二类：较好的冻土工程地质地段，主要岩性为碎、砾石土及低液限粘土( 亚 粘土、亚沙土) ，含水量较少，为多冰冻土，冻胀系数k a = 5 1 ，融沉系数a = 4 2 。 有一定的冻胀和融沉。作为地基使对建筑物可能产生冻胀上拔的危害，在一般情 况下，基底下融深应控制在l 米之内。该路段需采取一些专门措旋，防止道路破 坏，通常可按预融逐渐融化及防冻胀原则设计。 第三类：不良冻土工程地质地段。该段的岩性为碎、砾石土和高液限粘土。 冻土中含有薄层状地下冰层，属饱冰冻土及含土冰层。冻胀系数l ( a 和融沉系数a 较大，如在k 1 6 4 + 2 0 0 k 1 6 4 + 8 0 0 段，k = 1 9 9 ，a = 2 1 o 。地基易产生较大 冻胀量，会引起建筑的破坏，冻土融化后呈流动、饱和状态，地基融化下沉量也 很大，地基承地力极差。一般可采取保护冻土的原则进行设计。但由于周围环境 的改变，冻土逐步要退化，因此应尽可能采取预融的办法，使冻土全部消失，再 按常规的软土地基进行设计和施工。对桥涵基础，也可考虑采用桩基或是基础穿 过冻土层。 第三章黑北公路沿线冻土对路基稳定性的影响 冻土是一种特殊的土体。其成分、结构、热物理及物理力学性质均有着不同 于一般土的许多特点。冻土区的活动层每年都要发生季节融化和冻结，并伴随有 各种冻土现象。因此，在多年冻土地区修建的道路每年都要发生一些破坏现象， 只有对这些破坏现象给与充分的重视，并加以研究，才能更好的在以后的道路修 建中，减少和避免这些现象的发生，保持道路具有良好的路用性，更好的为国民 经济服务。黑北公路为沿线常见的道路破坏现象有：融沉、冻胀、翻浆等。 ，一、融沉 融沉是多年冻土地区路基的主要病害之一。一般多发生在含冰量大的粘性土 地段，当路基基底的多年冻土上部或路錾边坡上分布有较厚的地下冰层时，由于 地下冰层埋藏较浅，在施工及运营过程中各种人为因素的影响下，使多年冻土局 部融化，上覆土层在土体自重和外力作用下产生沉陷，造成路基的严重变形。这 种变形表现为路基下沉，路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑，路堑边坡滑坍等。 ( 一) 融沉的特点： 1 融沉在空间上表现为不连续性 由于岛状多年冻土地区，多年冻土已在部分区域消失，多年冻土的分布具有 不连续性，冻土的厚度具有不均匀性，这直接导致了该地区道路融沉的不均匀性。 有的路段在以较慢的速度连续下沉一段时间后，有时突发大量的沉陷，并使两侧 部分地基土隆起。这是由于路基基底含冰量大的粘性土融化后处于饱和状态，其 承载力几乎为零，加之路堤两侧融化深度不一，使得基底形成一倾斜的冻结滑动 面。在车辆荷载的作用下，过饱和粘性土顺着冻结面挤出，路堤瞬间产生大幅度 沉陷，通常称为突陷。这样的突然沉陷严重地危及行车安全。有的路段路堤在每 年融化季节( 从春融后五月开始到十月冻结时止) 逐渐下沉；而在零星岛状多年冻 土带内，部分路基全部下沉。这种情况一般都发生在地下冰发育地段，或因施工 时破坏地表草皮泥炭覆盖层，或路堤建成后上方坡脚积水，形成地表水沿基底的 横向渗透，造成地下冰的逐年不断融化，致使路基出现周期性的持续下沉。 2 融沉病害多发生在低路堤地段 岛状多年冻土地区道路的稳定与多种因素有关，它既取决于纬度地带性的影 响，又与路堤高度、坡向、填料类别、保温设施及施工季节和施工后形成的地表 特征、水文特征和冻土介质特征等因素的综合影响有关。上述诸多因素可总的归 结为土层的散热和吸热。当基底土层的散热超过吸热时，则地温下降，人为上限 就上升，路堤保持稳定。如吸热超过散热则地温上升，多年冻土融化，人为上限 下降，路堤就会产生融沉病害。路堤越低，意味着在从上界流向地中的传热过程 中，热阻减小、路基自身的储热能力变小，因而不利于热稳定。 在多年冻土上限附近的细粒土和有一定量细粒土填充的粗粒土中往往含有 厚层地下冰。由于其埋藏浅，所以很容易受到人为的活动而融化。由厚层地下冰 融化而产生的融沉是多年冻土区路基变形和破坏的主要原因之一。 路堤的修建、路面的摊铺改变了原表面的水热交换条件，并引起基底土层压 缩等一系列变化。这些变化在一定条件下使上限下降。而道路的修建则增加了热 阻，是有利于上限上升的因素。当路堤很低时，热阻小，故使上限上升的因素弱 于使上限下降的因素，因而上限一般是下降。随着路堤高度的增加。使上限上升 因素的作用也随之增强。当这一因素的作用增加至等于或大于使上限下降的作用 时，就会导致路堤下上限不变或上升，这样就存在这样一个路堤高度，当上限大 于这一路基高度时，上限将上升；而小于这一高度时，上限将下降。这一高度称 为临界高度。当采用保护冻土原则在冻土区筑路时，必须保证实际路堤高度大于 临界高度。但并非路堤高度越高越有利于保护冻土。在高温冻土区，夏季施工的 路堤其高度超过一定值时，会在堤身内形成融土核，造成地下冰融化，而使路堤 下沉。 路堤建成后改变了地表和地下水的径流条件。当排水措施不当时会产生路 1 4 堤过水和堤侧积水现象。其后果往往是地下冰融化，路基下沉甚至发生突陷。在 冻土地区筑路，合理的选择施工季节是十分重要，冬季施工条件差，但对保护冻 土有利。夏季施工条件好，但地表容易受到很大的干扰。夏季雨水相对较多，道 路的施工质量不宜控制。在一定条件下，夏季施工造成的路堤蓄热为道路在运营 中发生融沉埋下了隐患。 路面的铺筑，特别是黑色路面的铺筑，由于路面的吸热和封水作用，冻土原 有的水热交换平衡遭到破坏，其下的人为上限值较大，从而导致道路发生融沉的 可能性增大，因此，在高温冻土区修筑沥青路面时必须认真对采用保护冻土原则 的可能性和经济合理性进行论证。 ( 二) 导致融沉的主要因素 1 太阳直接辐射 太阳直接辐射是地面升温的直接热源，太阳直接辐射强度的日变化过程与地 表及地表浅层温度的臼波动关系最为密切，直接辐射强度随纬度和海拔高度而变 化，海拔越高，热辐射通过的大气质量越少，因而辐射强度越大，根据j 博伊 里马的观测，直接辐射大致为海拔的线型函数，其垂直梯度约为o o l c a l c m 2 m i n 。 纬度越高，直接辐射强度越小，辐射总量也少( 见表5 ) ，辐射差额也小“4 l 。根 据伦登的观测，阴坡与阳坡相差较大。 根据斜坡上太阳直接辐射的共识，可得到如下计算不同坡度的路基边坡上的 太阳直接辐射量： s t = s 。 c o s a ( s i m p s i n a + c o s 矿c o s o c o s m ) + s i n a c o s k t a m p + s 妒c o s 仃c o s 国) 一s i n 盯s e c 纠+ s i n 纯c o s a s i n a 】 式中：为大气质量为m 时，地面垂直于太阳光线的直接辐射量，可根据 已知的太阳常数和大气透明度特征值计算。 伊：地理纬度 仃：太阳赤纬 国：太阳时角( 盯与m 可以从天文历书中查到) 口：边坡坡角 ：路线方位角 坡向、坡角、海拔、纬度，这些因素都会影响到地表热平衡和地中热流各分 量的强度。 表5 北纬2 0 。5 0 。南北坡不同坡度可能辐射年总量( k c a l c m 2 ) 坡度 纬 南坡 北坡 度 51 02 0 3 0 4 05 051 02 03 04 0 5 0 2 0 3 1 1 43 16 93 2 0 53 1 5 ，i3 0 0 62 7 2 32 9 42 8 2 12 5 2 ，52 l 矗41 7 5 61 3 5 5 3 0 2 9 43 0 33 1 63 1 93 1 3 32 9 8 42 6 92 5 3 32 1 7 71 7 7 41 3 2 71 0 3 9 4 02 6 8 82 8 2 13 0 2 ，5 3 1 4 ，2 3 1 6 73 1 0 32 3 6 | 52 1 8 7 1 7 9 1 1 4 0 41 0 6 8 7 7 9 5 02 3 6 92 5 3 12 8 0 32 9 9 ，63 1 033 1 1 92 0 0 51 8 081 4 2 91 1 0 68 2 65 9 3 由上表可以看出，在南坡上，随纬度的增大，最大辐射量的坡度也随之增大， 在南坡上，无论什么纬度都是坡度愈缓，得到的辐射量愈多，较高纬度的南坡得 到的辐射两比较低纬度的北坡为爹1 5 1 。 2 气温 气温在热稳定性研究中是重要的一个因素1 6 1 ，它不仅包含了纬度和海拔的地 带性影响，也是降水、蒸发、云量、风速等影响因素的一个综合指标。在古典热 传导问题中，气温作为唯一的热边界条件。在现代传热学中，将温度、辐射热、 水分的综合作用作为边界条件，其中温度仍然是连续作用的最主要边界条件。因 此，它对热稳定的评价较为重要。 3 降水与蒸发条件 降水与蒸发是季节融化层温度状态的直接影响因素。根据m m 布迪科的研 究0 4 ，降水、蒸发与地面辐射差额的联系方程式为e r = f ( r l r ) ，式中各符号 的意义如下： e ：年蒸发量( 啪) r ：年降水量( 咖) r ：年辐射差额( k c a l c m 2 ) 1 6 l ：蒸发潜热( k c a l m m ) 根据实际观测资料，上式可回归为： e - - a m 与+ b a ，b 为回归系数。 雨季时，季节融化层浅层湿度急剧加大，晴天时，蒸发强烈，使水分疏干， 这种补给与疏干作用交替进行，补给时，水分下渗有加速地下冻土热融的趋势， 而疏干时，蒸发耗热，降低地表温度，减缓地表热量向深层传输，有延缓冻土融 化的趋势。 4 路堤填料性质 路堤填料是路基设计中可供选择的要素之一。实践中可能遇到的情况为：( 1 ) 用与天然地面相同的土质。( 2 ) 外运路基填土。( 3 ) 在已稳定的旧路上，就近用各 种混杂的土质填筑。( 4 ) 在路堤中铺设人造性保温材料夹层。上述不同方案的选 择都是以保护天然冻土为原则。方案比较的理论依据是填料的热学性能和持水能 力。填料的导热性能与进入土层内的热量的关系为【17 】： 肚雁a a o s i n ( 国t 竹+ 予 式中b