多年冻土地区路基稳定性技术研究

多年冻土地区路基稳定性技术研究─简本PAGEPAGE1目录TOC\o"1-2"\h\z\u一、研究的目的与意义 11.1面临形势与考验 11.2研究背景与意义 1二、研究内容与技术路线 22.1研究内容 22.2技术路线 2三、研究成果 33.1多年冻土地区路基病害及其原因 33.2气候地质地貌与路基稳定性的关系 43.3冻土路基温度场特征研究 43.4一般路基横断面结构研究 53.5调控地温的特殊结构路基研究 63.6冻土路基稳定性评价研究 83.7多年冻土地区路基设计与施工技术研究 8四、创新与突破 9五、人才培养 9六、问题与建议 9七、致谢 10一、研究的目的与意义1.1面临形势与考验随着西部大开发战略的不断深入和东北振兴战略的推进，我国寒区道路工程建设正处于蓬勃发展的势头，青藏高速公路已经列入国家规划，青藏公路“十一·五”改建完善工程国家已批准建设，西藏高原以及东北地区的寒区道路建设都处于跨越式发展时期。从已建成的交通基础设施包括公路、铁路、管道等运营效果看，多年冻土工程建设面临着许多新的问题。尤其在高温冻土区，如何在解决冻土路基热稳定性的前提下，保持路基工程的长期稳定性，是目前冻土区道路工程研究的重要课题之一。同时，多年冻土地区的路基变形问题，特别是高温多年冻土区的公路路基的热融下沉问题，是至今还未彻底解决的一大难题，而且以宽幅路面为特征的高等级公路，对路基的热扰动更为强烈，所引发的工程问题也将更为复杂。这些都是寒区道路建设中急需解决的关键技术与难题。同时，由于全球气候异常，受印度洋和孟加拉湾暖湿气流影响，青藏高原气候环境进入了一个相对湿润和气温转暖的时区，促使多年冻土退化趋势加剧。随着西部大开发战略的实施，人类活动的影响在不断升级，全球气候转暖对多年冻土的影响正逐渐显现，路基下的冻土迅速退化。据调查青藏公路高温、高含冰量多年冻土区路基失去稳定性而产生严重的热融沉陷及纵向裂缝等病害累计长度已达60多公里。但对于全球气候背景下多年冻土变化趋势预测，公路工程作用下多年冻土变化预测，以及两种状态叠加后，公路路基下多年冻土的变化趋势预测，多年冻土变化后公路工程如何来适应这种巨大的变化等问题目前仍缺乏系统研究，此类问题也将成为多年冻土区路基设计必须考虑的关键问题。1.2研究背景与意义地球上多年冻土分布面积约3710万平方公里，占陆地面积的25%，我国多年冻土的分布面积约215万平方公里，位居世界第三。公路是多年冻土开发与建设的先驱，开展多年冻土地区路基稳定性技术研究，对多年冻土区的开发与建设，确保多年冻土地区公路交通基础建设的顺利实施，对加快中西部经济建设，推动中西部国民经济发展等，有着十分重要的意义。我国多年冻土地区，地域辽阔，人烟稀少，是欠发达地区之一。由于特殊的历史、自然、地理、社会等各方面因素的影响，多年冻土地区经济开发建设活动受交通基础设施落后的制约。青藏高原和东北大、小兴安岭地区，丰富的铁矿、铬铁矿、铜矿、湖盐、硼矿、水电、森林，以及前景广阔的石油、天然气等等自然资源，都具有很高的开发和开采条件及重要的经济价值，但由于受交通基础设施滞后的制约，不仅使这些资源的开发利用程度非常低，而且严重影响着多年冻土地区国民经济的发展。随着贯彻实施党中央、国务院关于西部大开发的战略决策，西部公路交通基础设施建设进度明显加快。在多年冻土广泛分布的西藏、青海、内蒙、新疆、黑龙江等省区，近几年来投入大量资金进行公路交通建设，而这些公路（中尼公路、新藏公路、黑北公路等）穿越多年冻土区的路段也占有相当比例，若不考虑多年冻土这一特殊地质条件，不考虑当地的气候特征与地质特点，不仅会给公路建设本身带来极大的困难，也将使建成的公路产生严重破坏，同时给国家造成巨大经济损失和不良的社会影响。长期的工程实践表明，多年冻土区公路成败的关键在路基工程。冻土路基的稳定性受到气候变化影响下的冻土环境变化的极大威胁。近年来，冻土退化已被诸多的研究结果所证实。气候转暖直接影响冻土工程环境，对于正在运营的建筑物，将增大冻害的破坏强度和数量，而对于拟建的建筑物，这种不稳定的寒区工程环境将增加建筑物设计原则的选取及冻土稳定性确定的难度，使寒区建筑物的工程建设面临着严峻的挑战。因此要保证冻土路基的稳定，就必须预测全球气候变化背景下冻土的变化，预测工程作用下冻土的变化以及预测两种因素叠加后冻土的变化及工程稳定性，采用积极有效的保护冻土措施，即冷却地基的办法。为此，在了解气候-工程-冻土相互作用规律的基础上，研究开发新的地温调控技术，提出能冷却地基的新的路基结构形式、设计原则及设计参数，是党务之急。我国广大的多年冻土区，绝大部分属于未开发的处女地，本课题的研究成果，是多年冻土区公路建设的关键技术，不仅有着广泛的推广应用前景，对加快中西部经济建设，推动中西部国民经济快速发展等，都有着十分重要而深远的意义。二、研究内容与技术路线2.1研究内容根据合同要求，本课题主要研究内容包括：气候、地质地貌与路基稳定性的关系；多年冻土路基合理高度；多年冻土路基合理的结构形式；冷却多年冻土路基的工程措施；过渡段路基设计；路基施工季节、修筑技术和质量控制。2.2技术路线为保障本项目的顺利实施，保证最终研究成果质量，课题组研究制定如下技术路线：（1）野外定点观测与调查青藏公路科研继承下来的11个地温、路基变形观测断面将作为本课题研究修筑路基后下伏多年冻土动态变化趋势预测及其由此诱发沉降变形分析的主要观测场地之一。增设青康公路沿线测温孔并开始连续地温观测，在典型路基结构路段（不同路基高度、沥青路面段、水泥路面段等）补充变形测量。这些观测将主要用于研究高温多年冻土区冻土退化规律及其对公路路基稳定性的影响。依靠GIS（地理信息系统）、RS（遥感）等技术进行冻土环境、工程环境变化的监测。（2）实体工程试验研究（依托工程）完成本课题主要依托的工程项目为：2001～2003年实施的青藏公路整治改建工程和仍在实施科研观测的青藏公路试验工程等。青藏公路整治改建工程，由国家投资11.7亿元。整治路面累计长度779.06km，其中路面补强642.57km，整治路基病害和改建路线136.402km。由中交一公院在2001年完成勘察设计，2002年5月正式开工，计划2003年建成通车。该课题实施的目的之一是治理青藏公路多年冻土区由于路基失去稳定而产生的病害，特别是高温高含冰量多年冻土区的路基产生严重的热融沉陷、纵向裂缝等等，为探讨多年冻土区公路路基稳定性的工程措施，不仅采用了一般提高路基的设计方案，还设计了EPS板隔热层、热棒制冷及片石通风路基、碎石护面等试验工程，这些都是本课题研究稳定技术的基本要求。保温处理试验观测场在青康公路铺设保温材料的试验路段选择2～3个代表性断面布设地温、浅地表温度、保温材料上下面温度等观测断面，研究保温处理措施防止或延缓多年冻土上限下降的可行性和有效性。在该试验段同时开展路面改良实体试验研究。碎石坡面、硅藻土护坡试验观测场选择2个典型路段在公路两侧分别铺设50m抛石护坡和硅藻土护坡，布设地温、护坡底面温度探头，研究抛石护坡、硅藻土护坡保护多年冻土的效果及原理。片块石路基试验场在抛石护坡试验段附近修筑50m片块石路基试验路段，于片块石路基内、路基下以及天然场地布设地温观测探头，研究片块石路基保护多年冻土的效果。热棒路基试验场区分不同的冻土类型，选择3～4公里热棒路基试验段，于路堤内、路基下以及天然场地布设地温观测探头，研究热棒路基保护多年冻土的效果。（3）室内实验对野外观测断面深度剖面土质进行物理及热学性能进行测试，提出分析冻土温度场所必需的物性参数指标（土质、组分、导热系数、含水量、密度等）。对保温处理措施、碎石路基等进行不同边界条件下的模型试验研究，提出其适用条件及影响因素。（4）数值模拟研究在已有工作基础、现场观测、模型试验的支撑下建立不同结构路基温度场仿真模型、多年冻土在气候变化及工程影响下的变化趋势预报模型、多年冻土路基合理高度计算模型等，并通过实体工程检验数值仿真模型的合理性。（5）全面总结综合分析，提出多年冻土路基稳定性技术根据现场观测、室内模型试验结果以及数值模拟预报等提出路基合理结构的应用条件和可行性，以及路基施工季节、修筑技术和质量控制原理和对策。三、研究成果3.1多年冻土地区路基病害及其原因1、基于2002～2005年每年的多年冻土地区路基病害调查资料，分析了冻土路基病害特征，并根据路基对阴阳坡效应响应的程度，将多年冻土区填土路基病害分为低路基病害（或称对称性病害）与高路基病害（或称非对称性病害）两类。图1低路基病害（热融沉陷）图2高路基病害（纵向裂缝）2、目前青藏公路路基的病害形式主要表现为以纵向裂缝与路基开裂为主的高路基病害，占总病害路段的60%以上。3、高路基病害与路基高度及坡向直接相关。路基高度越高，高路基病害发生的几率越大，高度大于2.5m的路基内高路基病害占总量的75.7%，并且发生在阳坡侧的路基病害占总量的66.5%。4、高路基病害的形成机理因路基高度的不同而有所差异。当路基高度小于临界高度时，融化盘及其偏移是形成路基病害的主要原因；反之当路基高度大于临界高度时，在高温冻土区，融化夹层则是造成路基病害的罪魁祸首，而在低温冻土区，冻结核形成的“凸”滑动面与阳坡侧坡脚下融化盘的联合作用引发了一系列高路基病害。（a）融化盘厚度差较小（b）融化盘厚度差较大图3融化盘所引发高路基病害示意图图4融化夹层所引发高路基病害图5冻结核所引发高路基病害5、冻土环境的破坏构成了影响高路基病害的人为因素。不按技术规范施工与冻土环境的破坏将加速高路基病害的发生与发展。图6青藏公路沿线冻土环境恶化引起沙漠化6、路基病害的治理应因地制宜，结合病害的形成特点采取不同的治理方案，研究中提出了治理路基病害的建议。3.2气候地质地貌与路基稳定性的关系通过已有资料、监测资料以及数值模拟和GIS平台，对气候、地质地貌—多年冻土—路基稳定性之间的相互作用关系进行了深入的研究。研究结果表明，气候变化已经对多年冻土和路基稳定性形成较大影响，这种影响随着多年冻土年平均地温变化而产生较大差异。在气候变化和工程作用（沥青路面）影响下产生了一系列工程病害，特别是对高温多年冻土，已经形成气候变化和工程影响的双重作用，将对路基稳定性构成极大的影响。同时由于地质地貌因素的影响，多年冻土地温、含冰状态、多年冻土上限以及发生、发展过程均有较大差异，这种差异使得气候变化影响更加复杂多变。不同地质地貌单元，由于多年冻土差异较大，这使路基稳定性也存在较大差异，且影响因素也不尽相同。综合考虑地质地貌、气候变化对多年冻土的影响，多年冻土地区路基工程必须采取相应的工程措施，以应对气候变化和工程作用对多年冻土的影响，确保路基稳定性。3.3冻土路基温度场特征研究1、在分析了青藏公路沿线8个观测断面10年的地温观测资料的基础上，研究认为多年冻土区地温可分为放热型、吸热型、过渡型和残留型等四种类型；从年平均地温的角度，多年冻土可分为低温多年冻土区（年平均地温<-1.5℃）与高温多年冻土区（年平均地温≥2、214国道沿线地区海拔略低、经纬度偏南东、气温略高，冻土温度偏高，基本属高温冻土，多年冻土层较薄，冻土处于不稳定状态，在人为作用下消融退化比较迅速。沿线多年冻土平均地温除鄂拉山山顶和巴颜喀拉山垭口段地温在-1.5℃左右外，其它地段多年冻土的地温均在-0.5～-1.0℃3、当前公路穿越的东北多年冻土均属于岛状多年冻土，均分布于低洼沟谷的沼泽化湿地以及河谷阶地背阴地带，地表积水，塔头草生长茂密，草炭、腐殖泥炭及淤泥土发育，水分补给充分；多年冻土的物质成分主要为粘性土、淤泥、泥炭，在部分粗砂、细砂及砂砾石中也见存在。多具整体状、微层状、层状冻土构造，属于多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土以及含土冰层；冻土地温比较高，地温为-0.06～-0.98℃。多年冻土上限为1.0～2.6m，下限为3.0～6.0m，厚度为1.0～53.4一般路基横断面结构研究1、由于沥青路面强烈的吸热与阻滞蒸发的作用，造成沥青路面下多年冻土的生存条件较砂砾路面更为严峻。这两种路面结构也在一定程度上反映了多年冻土区铁道工程与公路工程的差异。数值模拟研究得出沥青路面下路堤基底年均吸热能力较砂砾路面强1.68倍（如图7所示），造成沥青路面下人为上限较砂砾路面下移2.3m，年平均地温升高0.6～0.8℃。结果表明沥青路面热效应影响更为图7两种路面条件下路堤基底垂直方向平均热流密度2、通过数值模拟研究得出低温冻土区冻土路基临界高度的动态变化规律，提出路基合理高度的概念及确定方法，并将其引入路基设计，改进了路基高度的设计方法。路基临界高度：路基合理高度：路基设计高度：H设=mH合+S路基合理高度存在的地温条件：式中：—设计路基时的年份；—路基设计所在年份的天然上限（m）；—道路设计年限（a）；T0—年平均地温（℃）；—年平均的变化率，即增温速率；m—综合修正系数。结合公路沿线冻土类型、上限深度及已成路基季节融化层含水量情况进行验算确定，上限浅，含冰量大者取高值，反之取低值；S—季节融化层压缩沉降量。3、在多年冻土区修建高等级公路，由于路面宽度的增加将导致冻土路基内热量积累更加严重。数值模拟研究得出当路基宽度增加2.4倍时，通过路堤基底每年平均吸收的净热量则增大1.9倍，路基内吸收的热量使多年冻土人为上限下移2.49～2.85m，融化盘厚度增大3.19倍，其宽度增大1.82倍（如图8所示），多年冻土年均地温升高。上述研究揭示在该类地区修建宽幅的高等级公路将面临更严峻的形势图8两类路基下融化盘形态的对比4、边坡坡度对人为上限、年平均地温及融化盘等路基温度场特征要素具有一定的影响，但影响均不显著，因此认为边坡坡度不应作为考虑路基热稳定性的主要影响因素，应根据当地的工程地质及水文地质条件，从力学及工程实际情况选择合适的边坡坡度。5、从青藏公路保温护道段地温观测分析与数值模拟两个角度研究了保温护道对路基地温特征的影响规律。结果表明：=1\*GB3①从路基热稳定性的角度而言，保温护道对路基地温特征的影响不显著，因此保温护道不应作为考虑路基热稳定性的影响因素。=2\*GB3②在高温多年冻土区，如果是新修路堤或路堤两侧地表环境未遭到严重破坏的情况下，考虑到护道表面较天然地表强的吸热作用，不宜修筑保温护道。=3\*GB3③在低温高含冰量多年冻土区，路基高度大于临界高度，路基内形成较为明显的冻结核时，可以修筑保温护道，用以减小或消除坡脚融化盘。=4\*GB3④多年冻土区当为满足高路基边坡的力学稳定性而设置护坡道时，应当在护坡道表面铺筑碎石层或草皮，利用碎石层或草皮的热学效应改善护坡道对路基温度场的负面影响。3.5调控地温的特殊结构路基研究1、在青藏公路与国道214线多年冻土区修建一系列特殊结构路基的试验工程，包括XPS、EPS保温隔热路基、碎块石路基、热棒路基、遮阳板路基及硅藻土护坡路基，目的是研究特殊结构路基的工程应用效果。2、通过数值模拟、室内试验及野外试验工程观测，研究了设置保温隔热板、碎石、热棒、遮阳板、硅藻土护坡等措施的特殊路基结构对路基稳定性的影响规律。结果表明：=1\*GB3①低温冻土区EPS板显著增加热阻，提高人为上限；从热学角度提出了保温隔热层合理厚度及等效路基高度的计算表达式；但暖季板底仍存在正温区，同时冷季板体阻碍热量的散发，这种潜在的热积累对高温冻土区十分不利，极高温冻土敏感区不宜使用EPS隔热板。图9保温隔热路基施工前后=2\*GB3②提出以自然对流指数表征路基碎石层引起的冬季自然对流降温效应的强度和持续时间；揭示碎石路基不仅在冬季具有较强的主动冷却路基的作用，夏季由于碎石层导热系数低于一般路基填料也具有一定的保温隔热作用，碎石层路基是符合青藏高原实际的经济合理的路基结构形式；在分析自然对流指数的基础上，提出碎石层铺筑的合理厚度应大于50㎝并以60～80㎝为宜，碎石粒径以4～6㎝最佳，铺筑位置宜靠近路面基层下部（路基顶部）；同厚度碎石层宽度越大，对流降温效果越强。图10碎石路基施工图11碎石边坡施工完成后=3\*GB3③提出了热棒路基的等效传热模型，根据青藏公路环境特点，得出了热棒工作的周期约为5个月，在工作周期内热棒并非连续工作而是波动式的，实际工作时间为工作周期的2/3；热棒路基冬季降温效果明显，显著提高冻土人为上限，有利于土体储备冷量，热棒的有效工作半径为2.25m以内；路基双侧设置热棒优于单侧，斜置热棒优于竖置。图12热棒路基施工完成前后=4\*GB3④遮阳板能显著降低地温，抬升路中与阳坡侧人为上限，更有利于冻土路基热稳定；遮阳板遮蔽太阳对路基直接辐射的时效性是常年的，在暖季表现得更突出一些；试验工程路段近3年来使用状况良好，较对比断面整体路基变形小，变形相对均衡平稳，左、右路肩变形基本一致，路面没有明显的病害；而对比断面坡面和路肩变形向阳面与背阳面有较大差异，其路面也有少许纵向裂缝等病害，整体状况较遮阳板断面差。总之，遮阳板工程措施可调控阴阳面吸热不均，治理融化盘偏移，不均匀沉陷，路基纵向裂缝等病害。既可用于新建路段，也可用于旧路潜在病害路段的早期治理与防控。图13遮阳板路基工程应用效果图14遮阳板路基施工完成后=5\*GB3⑤研究了硅藻土护坡在214国道的工程应用效果，结果表明由于该地区气候干旱，使硅藻土护坡未能发挥热二极管的降温效能，建议该地区不宜采用，并提出硅藻土护坡的应用条件。3、对比各类冷却路基工程措施的适应性与优缺点如下：=1\*GB3①当计算压缩沉降量超过路基容许沉降量，路基设计高度由于路线纵坡控制不满足临界高度或不经济时，路堑处或翻越垭口处需要进行换填保护下伏多年冻土的等等区段可以考虑选用隔热层路基。该类保温隔热路基适合应用于低温多年冻土区，在高温多年冻土区应配合主动冷却的工程措施。=2\*GB3②片、块、碎石路基适用于高温冻土区，地质断裂带地下泉水发育区段，松散堆积层，地面横坡较大，路基层上水河地表径流较发育的区段。另外，片块石路基可用于治理地下水或冻结层上水较为发育区段的路基病害。碎石坡面主要用于路基下融化盘偏移严重的路基病害路段。碎石路基施工标准如压实控制等现在还不完善，施工期间碎石层空隙率不易检测与控制。全断面施工过程中振捣压实时碎石向两侧滑移，压实度较难达到设计要求。=3\*GB3③对于热棒路基，在实际应用中应根据地温特点、工程造价等斟情选择：第一，在施工条件允许并不损失热棒致冷效果的情况下应尽可能斜置热棒；第二，在极高温冻土区及冻土退化区应尽可能埋置双向热棒，并保持适当的路基填土高度；第三，在中高温冻土区，如果人为上限较大，可选用双向热棒冷却路基，如果融化盘因阴阳坡的影响而偏移，应考虑在阳坡设置单向热棒；第四，在低温冻土区，应优先考虑抬高路基高度。=4\*GB3④遮阳板路基可调控阴阳面吸热不均，治理融化盘偏移，不均匀沉陷，路基纵向裂缝等病害，既可用于新建路段，也可用于旧路潜在病害路段的早期治理与防控。在多年冻土区热胀冷缩严重，面板易变形、损坏；另外遮阳板骨架与板材也较易受人为损坏或破坏，设计者应考虑选用不易被损毁的板材以及设计合适的骨架结构。=5\*GB3⑤对于硅藻土护坡，需改良并提高其持水能力，注意以下两点，一是应用于秋季降雨较多的多年冻土地区，二是在应用于气候干旱区的多年冻土地区时，要及时养护，尤其是要在冻结期到来之前充分让硅藻土饱和。3.6冻土路基稳定性评价研究研究总结了冻土热稳定性的定量评价指标，并根据青藏公路沿线长期地温观测资料，对青藏公路的多年冻土区进行了热稳定性分类。相应的热稳定性分类为：（Ⅰ）热稳定型多年冻土；（Ⅱ）热稳定过渡型多年冻土；（Ⅲ）热不稳定型多年冻土；（Ⅳ）热极不稳定型多年冻土。3.7多年冻土地区路基设计与施工技术研究1、系统总结了路堤、路堑及零断面路基的设计与施工技术，主要内容包括设计原则与方案的确定、路基填料与施工季节的选择、施工工艺与质量控制等。2、分别提出路基填挖过渡段，路基与桥涵过渡段，融区与多年冻土区过渡段，高低含冰量冻土过渡段的路基处置对策。3、编制了《多年冻土地区公路路基设计与施工技术指南》。四、创新与突破1、以阴阳坡效应为标准，将路基病害分为低路基与高路基病害，定性分析了融化核、冻结核对路基病害影响规律，并提出高路基病害的治理方案。2、在已有“保护冻土，控制融化速率、综合治理”的路基设计原则基础上，提出“制冷阻热、减少辐射、增强对流、主动保护、综合治理、积极预防”这一新的路基设计原则，并提出一般结构路基的设计方法，系统总结了路堤与路堑的施工技术。3、首次系统地研究了路面性状、路基高度、路基宽度、边坡坡度及防水护道对路基温度场的影响规律，优化了路堤典型横断面结构。4、通过数值模拟研究得出低温区冻土路基临界高度的动态变化规律，首次提出路基合理高度的概念及确定方法，并将其引入路基设计，改进了路基高度设计方法。5、研究得到了保温隔热材料、碎石、热棒、遮阳板、硅藻土护坡等措施对路基稳定性的影响规律。提出了特殊结构路基的设计方法。6、首次系统提出了填挖过渡段、路基与桥涵过渡段、融区与多年冻土区过渡段、高低含冰量冻土过渡段的路基处置对策。7、提出冻土路基热稳定性评价指标及其相应的分类。五、人才培养本研究项目共投入主要研究人员50人，其中，具有高级职称的研究人员30人，具有中级职称的研究人员15人，其他研究人员5人。通过本项目的实施，各参研单位的科研能力与水平均有了不同程度的提高，在项目主要研究人员中，8人从副高级职称晋升至正高级职称，由6人从中级职称晋升为高级职称，6人从初级职称晋升为中级职称。2人攻读博士学位，6人攻读硕士研究生或工程硕士。六、问题与建议我国广袤的多年冻土区大多处于经济欠发达地区，道路等级普遍偏低，交通基础设施已成为制约广大农牧民群