基于互联网+大数据平台的多年冻土区路基病害资源库

1、作品名称作品名称：基于互联网基于互联网+大数据平台的多年冻土区路基病害资源库大数据平台的多年冻土区路基病害资源库系系 部：部： 铁道工程系铁道工程系 负负 责责 人：人： 张张亮亮 联系方式：联系方式：成员名单：成员名单： 王姣姣王姣姣 张亮张亮 袁岩松袁岩松 指导教师：指导教师： 王铁权王铁权 周永胜周永胜 目录 1、冻土区路基相关资料 2、数据库建立的意义 一、研究背景一、研究背景 1、冻土区路基相关资料、冻土区路基相关资料1.1 我国多年冻土现状我国多年冻土分布广阔，总面积约215万平方公里，其主要分布在青藏高原、东北大、小兴安岭和松嫩平原北部及西部高山等地，如

2、图1.1所示。青藏高原多年冻土区是世界上中、低纬度地带面积最广、厚度最大、温度最低的多年冻土区，其面积约150万平方公里，约占中国多年冻土区总面积的70%。 我国在多年冻土区道路建设方面投入了大量的人力、物力、财力进行科学研究和工程实践，取得了一系列技术成果，然而，多年冻土地区长期低温、昼夜温差大、紫外线辐射强，恶劣的自然环境条件致使道路产生大量纵向裂缝、不均匀沉降等病害，严重降低了道路的质量和服务水平。1.2 冻土区路基研究现状 路基热稳定性是冻土区路基稳定的前提条件，热稳定性的变化会诱发路基结构的失稳，引发一系列路基路面病害。国内外学者针对冻土热融展开了一系列研究，吴青柏27等人建立了评价

3、多年冻土热融蚀敏感性定量评价模型，根据青藏公路沿线的地温监测资料，用定量评价模型分析了工程活动对多年冻土环境影响的敏感性变化。研究结果表明：冻土热融蚀敏感性与多年冻土温度、地温呈指数关系，与季节融化深度呈对数关系。1.3、冻土概念、冻土概念 在严寒地区，地面以下一定深度的地温常年保持在在严寒地区，地面以下一定深度的地温常年保持在0以下，土中含有冰，这类土称为冻土。含冰的土持续以下，土中含有冰，这类土称为冻土。含冰的土持续2年年或或2年以上不融化，称为多年冻土。冻结时间少于年以上不融化，称为多年冻土。冻结时间少于2年的可年的可称为：隔年冻土，季节冻土，短时冻土。我国多年冻土分称为：隔年冻土，季节

4、冻土，短时冻土。我国多年冻土分布很广，主要集中在东北的大、小兴安岭、松嫩平原北部、布很广，主要集中在东北的大、小兴安岭、松嫩平原北部、青藏高原、祁连山、天山等西部高山上，多年冻土区面积青藏高原、祁连山、天山等西部高山上，多年冻土区面积215万万km2，占全国总面积的，占全国总面积的1/5。1.4、冻土区路基结构形式、冻土区路基结构形式 多在路基工程中破坏了多年冻土的热平衡条件后，常多在路基工程中破坏了多年冻土的热平衡条件后，常用人工建筑材料保持多年冻土的冻结，叫做用人工建筑材料保持多年冻土的冻结，叫做保温法保温法。 在多年冻土地区的边缘，若多年冻土层不厚，温度高在多年冻土地区的边缘，若多年冻土

5、层不厚，温度高而不稳定，则挖除冻土，使路基坐落在可靠的基底上，叫而不稳定，则挖除冻土，使路基坐落在可靠的基底上，叫做做破坏冻土法破坏冻土法。2、数据库的建立意义、数据库的建立意义 数据资源库数据资源库相关技术研发成熟以后，可以向相关技术研发成熟以后，可以向相关施工单位提供其所需的技术资料，数据查询相关施工单位提供其所需的技术资料，数据查询可通过可通过APP,网页网页，公众平台公众平台等各种方式按要求进等各种方式按要求进行操作。数据资源库包含多年冻土区路基病害原行操作。数据资源库包含多年冻土区路基病害原因及其治理方式，施工单位可根据自身需求进行因及其治理方式，施工单位可根据自身需求进行不同种选择

6、，其资源覆盖国内外多项治理冻土成不同种选择，其资源覆盖国内外多项治理冻土成功案例，将其系统的整理成数据结构化，真正意功案例，将其系统的整理成数据结构化，真正意义上达到方便，有效，彻底根除其危害的作用。义上达到方便，有效，彻底根除其危害的作用。数据库使用方便，快捷；选用各种案例及各项维数据库使用方便，快捷；选用各种案例及各项维护处理等多重数据组合而成；可重复利用，使用效护处理等多重数据组合而成；可重复利用，使用效率高；率高； 针对各地区及其生态自然环境所造成的不同针对各地区及其生态自然环境所造成的不同种冻土病害都可进行施工与维护；所有数据整理结种冻土病害都可进行施工与维护；所有数据整理结构化、易

7、于推广；减少由道路病害产生的维修费用，构化、易于推广；减少由道路病害产生的维修费用，经济效益显著。经济效益显著。二、线路沿线气候及冻土分布二、线路沿线气候及冻土分布 1.1、沿线气候、沿线气候 青藏高原沿线气候青藏高原沿线气候青藏高原气候环境青藏高原气候环境1.2、青藏高原多年冻土区道路沿线冻土类型及分布、青藏高原多年冻土区道路沿线冻土类型及分布1.2、青藏高原多年冻土区道路沿线冻土类型及分布青藏高原多年冻土区道路沿线冻土类型及分布 1.3 青藏高原多年冻土区道路典型结构青藏高原多年冻土区道路典型结构蓝蓝色为色为多年冻土多年冻土； 紫紫色为色为季节冻土季节冻土；黄黄色为色为短时冻土短时冻土；

8、绿绿色为色为非冻土非冻土。1.4、冻土类型分布、冻土类型分布三、多年冻土区已有结构三、多年冻土区已有结构路基引发路面纵向开裂路基引发路面纵向开裂路基不均匀变形导致路面波浪变形路基不均匀变形导致路面波浪变形四、冻土路基的病害与防治措施四、冻土路基的病害与防治措施 1、病害、病害 1) 融沉 融沉，也称融化下层，指土中过剩冰融化所产生的水排出以及土体的融 化固结引起的局部地面的向下运动，是自然(如气候转暖)或人为因素(如砍伐与焚烧树木、房屋采暖)改变了地面的温度状况，引起季节融化深度加大，使地下冰或多年冻土层发生局部融化所致。在多年冻土上限附近的细粒土和有一定量细粒土充填的粗粒土中往往存在厚层地下

9、冰，由于其埋藏浅，所以很容易受各种人为活动的影响而融化。由厚层地下冰融化而产生的融沉是引起多年冻土区路基变形和破坏的主要原因。 路堤修筑后改变了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(指多年冻土上限，为多年冻土层的顶面，也是地表以下位置最深的冻融土层的界面)下降。2) 冻胀 冻胀是冻土区筑路时需要考虑的另一个重要问题。一般情况下，在低温冻土区，活动层厚度一般较小，且存在双向冻结，冻结速度较快，故冻胀相对较轻。而在高温冻土区，活动层厚度一般较大，冻结速度也较低，如存在粉质土和足够的水分则冻胀严重。 由于路基填筑材料的不均匀，或不同岩性和水文地质条件地段路基

10、过渡处理不当，可能引起不均匀冻胀，使线路在乎纵断面上失去平顺性。用粉质土和黏性土填筑的路基，由于冻结时的水分迁移可能在上部聚冰而引起翻浆。3) 融冻泥流和滑塌 融冻泥流和滑塌多发生在有厚层地下冰分布的斜坡上。它可以由工程施工、挖方取土等人为活动引起，也可以由自然因素(如河流侵蚀坡脚、气温升高)引起。由融冻泥流和滑塌形成的稀泥物质向下流动，可能掩埋道路，壅塞桥涵，加速路基的软化湿陷。当线路通过越岭地段时，要特别注意这些问题。4) 冰锥、冻胀丘 冰锥俗称涎流冰，指水多次溢出地表冻结而所形成的地面冰体。分布于多年冻土和季节冻土区。其形成条件为：具有不冻的水源、水的通道、水的驱动力和严寒的气候条件。按

11、其水源分为河冰锥、湖冰锥和采冰锥。绝大部分冰锥是季节性的。工程建筑时，若建筑物拦截了地下水的通道，又未处理好排泄通道时，也会在建筑物附近形成冰锥，从而危害建筑物。由土的差异冻胀作用所形成的丘状地形，总称冻胀丘。冰锥和冻胀丘是多年冻土区道路工程中最经常遇到的不良冻土现象。5) 热融湖塘和沼泽化湿地 热融湖塘在青藏公路沿线分布较广，在楚玛尔河高平原上尤为集中。一般热融湖塘下仍有多年冻土存在。公路通过热融湖塘时要注意路基冻胀和沉陷的不均匀及边坡陷裂等问题，同时湖塘积水也容易引起路基湿软，加剧冻胀和沉陷。 沼泽化湿地地段一般厚层地下冰发育，线路通过时应注意上部草炭和泥炭层的压缩问题，在这类地段筑路时要

12、特别注意保护植被，作好排水和保证足够的路堤高度，必要时可加设保温护道。 1）热棒路基）热棒路基 2）通风管路基）通风管路基 3）填石路基）填石路基 4）保温板路基）保温板路基 5）复合式路基）复合式路基 6）遮阳板）遮阳板/棚路基棚路基 7）以桥代路）以桥代路 2、 防治措施防治措施 2. 1 预防性措施 设计通畅的地表排水系统 ,以确保路基不受地表水的侵害 ,注意在秋末宣泄路基基床附近的积水 ,初春清除积雪。及时清筛脏污的道床 ,整治道碴陷槽 ,防止道床积水。新线路基要严格使用规范规定的填料填筑基床 ,土质不良的路堑地段应采取换填或改良土质等措施。如遇地下水丰富 ,应同时考虑降低地下水水位的

13、措施。 2. 2 导温措施 2. 2. 1 基床保温措施 基底铺设隔温层 ,可以补偿路堤基底因表层植被及泥炭受到压缩变薄及压实而导致的热传导性能增加 ,亦可减少填土蓄热对基底的散热影响 ,起到保温效果。隔温材料的种类 ,国外有采用泡沫塑料隔热板材的 ,但造价较高。东北大小兴安岭地表生长的塔头草及泥炭层为良好的保温材料 ,可就地取材 ,造价低且施工简便。铺设厚度一般为 0. 2 m0. 3 m。基底铺设泥炭层的多年冻土路堤 ,在基底泥炭隔温层及两侧设置的保温护道的共同作用下 ,基底人为上限上升明显。 更换基床土为一定厚度的保温材料 ,如炉渣等 ,以调整路基冻结深度 ,减少基床上冻土的水分聚流现象

14、 ,同时炉渣具有吸着薄膜水和较好的排水性能 ,可以促使融期基床干燥。炉渣保温层厚度可通过冻渗理论计算 ,一般不少于 0. 4 m。2. 2. 2 导温盲沟 导温盲沟也称冷暖盲沟 ,是一种由炉渣横向暖沟与卵 石纵向冷沟联合起来组成的导温方案。其原理是通过在轨道下基床间隔 设置的横向暖沟 ,使土基冻结滞后。而在轨道两侧设置的纵向冷沟 ,则 由于其填料的温度传导系数大且通风良好 ,使其周围的基床土先行冻结 , 因而 ,轨道下基床土中的水分必然向冷沟附近的冷却区聚集。春融时 , 冷沟附近冻土及冻体先行融化 ,土中水由纵向盲沟中排出。这样 ,整个基床土分期融冻 ,分期冻结 ,使轨道下的基床湿度大大降低

15、,并提高了基床的整体承载力。烟双铁路专用线冷沟设计采用 40 mm200 mm 洗净的卵石并包裹土工布代替反滤层 ,效果较好。 2. 2. 3 设置保温护道 多年冻土路堤的另一保温措施是设置保温护道 ,用以减少及削弱因热传导作用而引起的对多年冻土的影响。防止向阳坡侧人为上限的下降和缓和坡侧人为上限的破坏。以粘性土填筑的保温护道并可阻挡和减少路堤坡脚处地表水渗入基底 ,防止基底冻土融化 ,保证路堤稳定的效果。 护道材料宜根据 “就地取材 ,方便施工” 的原则 ,并结合防水综合考虑。采用泥炭草皮或细粒土均可。在需要加强防水的地段以土护道为宜。 2. 3 土工布、 EPS导温垫床 土工布具有隔离、

16、渗滤、 排水、 加固和强化土体的作用 ,在整治一般翻浆中已广泛应用。EPS是铁科院铁建所试验研究的一种新型防冻土工聚合材料 ,由可发性聚苯乙烯贮存 ,予发泡、 成熟处理及模制过程加工而成的泡沫材料。试验证明 ,密度为 45 kg/ m3的 EPS材料 ,吸水率小 ,含气量高 ,导温系数小 ,在受水浸湿时仍有较好的隔热效果 ,且能满足动荷载为 200 kPa 的强度和变形要求。2. 4 保证路堤的最小高度 在多年冻土上修筑路堤 ,只要满足最小高度(采取保护多年冻土原则设计路堤时 ,能使基底人为上限维持在原天然上限位置的最小高度) ,并采取综合的保温措施后 ,一般人为上限最终均能较天然上限有所上升

17、 ,或保持在天然上限的位置。因此 ,为保持路堤稳定 ,防止基底人为上限下降 ,需要确定路堤的最小高度。 确定路堤的最小高度 ,需要考虑多种因素。它既与区域气候密切相关 ,又与填料类别、 地表下泥炭层厚度及以下的冻土介质特性和采取的保温措施有关 ,但最主要因素是区域气候。国内外有采用公式计算确定路堤最小高度的 ,但一般都根据调查资料经统计分析后得出。我国青藏线确定用粘土填筑的最小高度为1. 0 m1. 5 m。地下冰地段采用大值 ,饱冰地段采用中值 ,富冰地段用小值。 2. 5 保护地表植被及泥炭层 在地表多为活地被植物及泥炭层所覆盖 ,这些活地被植物及泥炭层是多年冻土良好的保温层。因为植物介于大气层和地层之间 ,积极参与两者之间的热量交换 ,对土的冻结和融化均有很大影响。尤其夏季 ,植物能遮挡太阳的强热