（自然地理学专业论文）多年冻土地区路堤典型沉陷病害研究.pdf

摘要 多年冻土地区路堤典型沉陷病害研究 陈继 ( 中国科学院寒区早区环境与工程研究所，兰州7 3 0 0 0 0 ) 摘要 青藏高原多年冻土区的路堤工程实践已经有5 0 余年的历史，积累了大量的经 验和教训，道路的运行质量不断改善。但是，波浪和路堤纵向裂缝作为路堤沉陷 病害的2 个主要表现形式，病害仍然很严重，病害率高于1 5 。 统计分析后发现，冻土特征仍然是影响冻土路堤波浪和纵向裂缝病害的关键 因素。和多年冻土年平均地温相比，多年冻土地区路堤纵向裂缝病害、路堤波浪 病害与冻土含冰量的对应关系较好，随着冻土含冰量的增加路堤典型病害率增加。 冻土路堤高度对冻土路堤典型病害的影响较大，路堤纵向裂缝病害随着路堤高度 的增加而单调增加，路堤波浪病害则随着冻土路堤高度的增加而单调减小。冻土 路堤纵向裂缝病害主要发生于路堤的阳坡侧，青藏公路南北走向路段路堤纵向裂 缝病害多发则主要是因为沿线太阳总辐射上午大大超过下午所致。敏感性分析表 明，与冻土地温相比，无论是波浪病害还是纵向裂缝病害，都对冻土含冰量比较 敏感。在有条件的情况下，冻土路堤工程建设要尽量避开高含冰量多年冻土区。 借鉴以往冻土的工程分类经验，把多年冻土划分为稳定、较稳定、不稳定和 极不稳定四种类型( 表1 ) ，这一划分结果被青藏公路、青藏铁路、青康公路和其 它几条多年冻土地区公路的病害调查结果所证实。依据该分类方案和青藏公路路 堤沉陷病害的发生规律对青康公路的预测表明，在改造工程完成6 年后，青康公 路路堤病害的总里程将在3 0 k i n 左右。 表1 路堤工程冻土分类方案 ：淤 少冰冻土 多冰冻土畜冰冻土饱冰冻土含土冰层 年平均地温，、 0 - 0 5 稳定较稳定 不稳定极不稳定极不稳定 0 5 1 5 稳定较稳定 不稳定极不稳定极不稳定 1 5 - 3 0稳定较稳定不稳定不稳定 不稳定 3 0 稳定稳定较稳定较稳定较稳定 基于对影响路堤波浪病害因素的分析，划分了冻土路堤可能发生波浪病害的 三个情景系列。对三个情景系列的数值分析表明，在新修路堤完工十年范围内， 年平均地温或者年平均气温控制着冻土路堤波浪病害发生的可能性与病害程度， 中国科学1 甓博士学位论文：多年冻土地区路堤典型沉陷病害研究 在年平均气温或者地温较低的冻土地区( m k 汀 3 0 c ) ，基本上不存在发生重 度波浪病害的可能。在满足路堤病害所需温度条件下，按照各因素对波浪变形的 贡献，从大到小依次为地表条件、含冰特征和路堤高度。 根据青藏铁路清水河试验路上凸型上限形态的路堤发育纵向裂缝的事实，采 用有限单元方法建立了一个具有凸型温度场的路堤并对其进行了应力应变分析。 结果发现，在天然冻土地基温度升高的条件下，既便冻土路堤下人为上限上升， 冻土路堤仍然有可能因为冻土升温所引起的压缩变形过大而发育纵向裂缝。 为了保证冻土路堤工程的稳定性，本文提出了更加严格的冻土路堤冷却标准： 在保证多年冻土上限不下降的前提下，原上限以下l o r e 范围内不同深度的年度最 高地温下降或者稳定在0 3 以下。这一标准可以避免冻土的融沉变形以及冻土 升温所导致的过大压缩变形。 国外的工程实践和研究表明，利用热半导体调控传导可以冷却冻土路堤。对 热半导体而言，较高的冻融导热系数比、较厚的热半导体材料、较湿润的表土、 较大的温度波幅和接近零度的年平均地表温度有利于产生较大的负温度位移。 在地表年平均温度0 5 c 、1 5 。c 、3 0 ，平均年温度波幅1 5 0 c ，地表分 别为湿润粘性土和干燥砂砾土的条件下开展的不同热半导体材料厚度、不同冻融 导热系数比的温度位移数值实验表明，在冻融导热系数比0 - 2 0 、热半导体材料 厚度0 - - - 2 0 c m 的条件下，两种地表可以实现的温度位移范围分别为- 4 6 6 - - 0 c 和 4 2 2 o 。 在地表为湿润粘性土、年平均地温为0 5 的高温多年冻土区的数值实验表 明，单独采用热半导体材料护坡可以有效冷却砂砾路面等开放式路面下的冻土路 堤，黑色路面下的冻土路堤需要热半导体护坡和保温路堤联合措施才可以被有效 冷却。针对2 8 m 宽高速公路单幅沥青路面给冷却冻土路堤思路带来的挑战，本文 提出采用双幅1 4 m 宽沥青路面的替代方案。结合上述联合调控传导措施，这一方 案可以实现有效冷却冻土路堤的目的。 为了检验热半导体材料的工程效果，在2 1 4 国道k 3 6 9 + 0 5 0 - k 3 6 9 + 1 0 0 开展 了硅藻土护坡试验。现场监测和数值模拟表明，与没有采用措施的断面相比，硅 藻土护坡可以有效的延缓冻土退化，并提高冻土路堤的稳定性。 关键词：多年冻土，路堤，沉陷，波浪，纵向裂缝，情景分析，热半导体， 硅藻土 a b s t r a c t s t u d yo nt h er e p r e s e n t a t i v es u b s i d e n c ep r o b l e m s o fe m b a n k m e n ti nt h ep e r m a f r o s tr e g i o n s c h e nj i d i r e c t e db ya c a d e m i c i a n & p r o f e s s o rc h e n gg u o d o n g ( c o l da n da r i dr e g i o n se n v i r o n m e n t a la n de n 西n e e r i n gr e s e a r c hi n s t i t u t e , c h i n e s ea c a d e m yo f s c i e n c e s ，l a n z h o u , 7 3 0 0 0 0 ，c h i n a ) a b s t r a c t t h em a j o r i t yo ft h eq i n g h a i t i b e th i g h w a y ( q t h ) r o u t e t r a v e r s ee l e v a t i o n sa b o v e 4 ，0 0 0 m , o c c a s i o n a l l ya b o v e5 ，0 0 0 m , a n dc r o s s e sal a r g ee x p a n s e ( a b o u t6 3 0 k m ) o f h i g h e l e v a t i o n , l o w - l a t i t u d e ，a n dw a r m ( ot o - 2 ) p e r m a f r o s t m a n ye x p e r i e n c e sh a v e b e e no b t a i n e da n dm a n yl e s s o n sh a v e b e e nl e a r n e ds i n c et h e q a - iw a sf i r s tc o n s t r u c t e d m o r et h a n5 0y e a r sa g o h o w e v e r , d i f f e r e n t i a ls u b s i d e n c e , ac o m m o np r o b l e mi n e m b a n k m e n t si nt h ep e r m a f r o s tr e g i o n s ，i ss t i l lv e r ys e r i o u s p r i o rt ot h ey e a r2 0 0 1 w a v e sa n dl o n g i t u d i n a lc r a c k ss e r i o u s l yi m p a i r e ds om u c ha s15 o ft h eq t h t w o t y p e so fs u b s i d e n c ep r o b l e m so c c u rm o s to f t e n , w a v e sm a i n l yi nt h er o a 曲e ds u r f a c e , a n dl o n g i t u d i n a lc r a c k so f t e np a r a l l e l i n gt h ed i r e c t i o no f t h eh i g h w a y f u r t h e rs t a t i s t i c a la n a l y s i ss h o w st h a tt h ep e r m a f r o s tf e a t u r e sa r ek e yf a c t o r st h a t a f f e c tt h ew a v e sa n dl o n g i t u d i n a lc r a c k s c o m p a r i n gw i t ht h em a g t , t h et w o t y p e so f p r o b l e m sd e p e n dh e a v i l yu p o nt h ei c ec o n t e n to ft h es u b g r a d e w i t ht h ei n c r e a s ei ni c e c o n t e n t ，t h er e p r e s e n t a t i v es u b s i d e n c ep r o b l e m sg r e a t l yi n c r e a s e e m b a n k m e n th e i g h t h a sv a r i o u se f f e c t so nt h ew a v e sa n d l o n g i t u d i n a lc r a c k s t h eh i g h e rt h ee m b a n k m e n t i s ，t h em o r el o n g i t u d i n a lc r a c k sa p p e a r , b u tt h el e s sa r et h ew a v e s l o n g i t u d i n a lc r a c k s o f t e no c c u ro nt h es o u t h e r ns l o p e t h eq i n g h a i t i b e th i g h w a ye x t e n d sm a i n l yf r o m t h en o r t ht ot h es o u t h t h e r ea r es t i l lm a n yl o n g i t u d i n a lc r a c k sh a p p e n i n gi nt h er o a d b e c a u s et h er a d i a t i o ni nt h em o r n i n gi ss t r o n g e rt h a nt h a ti nt h ea f t e r n o o ni nm o s ta r e a s o nt h eq i n g h a i - t i b e tp l a t e a u s e n s i t i v i t ya n a l y s i ss h o w st h a tr e p r e s e n t a t i v es u b s i d e n c e p r o b l e m sa r em o r es e n s i b l et ot h ei c ec o n t e n tt h a nt ot h eg r o u n dt e m p e r a t u r e i n p r a c t i c e , r o a d sa n dr a i l w a y ss h o u l da v o i dr i c h i c ep e r m a f r o s ta r e a s 、斫t hr e f e r e n c et ot h ec l a s s i f i c a t i o no ff r o z e ns o i li ne n g i n e e r i n gp e r m a f r o s tc a l lb e c l a s s i f i e di n t of o u rs t a b i l i t yt y p e s ，s t a b l e ( s ) ，r e l a t i v e l ys t a b l e 皿s ) ，u n s t a b l e ( ，a n d v e r yu n s t a b l e ( v t 0 ( s e e 呦1 ) t h ec l a s s i f i c a t i o nr e s u l t sw e nc o n f n t n e di nt h e q i n g h a i t i b e th i g h w a y , q i n g - k a n gh i g h w a y , q i n g h a i t i b e tr a i l w a y , a n do t h e rr o a d s i nt h ep e r m a f r o s tr e g i o n s a c c o r d i n gt ot h i sc l a s s i f i c a t i o na n ds u b s i d e n c ep r o b l e m s p h dt h e s i so f c a s ：s t u d yo nt h er e p r e s e n t a t i v es u b s i d e n c ep r o b l e m so f e m b a n k t n e n ti nt h ep e r m a f r o s tr e g i o n s r e g u l a r i t i e s ，t h i st h e s i sm a k e sap r e d i c t i o nt h a t ，s i xy e a r sa f t e rr e c o n s t r u c t i o n , t h et o t a l l e n g t ho fp r o b l e m a t i cs e c t i o n sw o u l dr e a c ha b o u t3 0 k i no nt h eq i n g - k a n gh i g h w a y t a b 1c l a s s i f i c a t i o ns c h e m eo f p e r m a f r o s ta b o u te m b a n k m e n te n g i n e e r i n g l c ew i t hs o l l 汰magtc 三：! p o o ra l i t t l er i c h s a t u r a t e d i n c l u s i o n 0 - 0 5s r s u v uv u 0 5 1 5sr suv uv u 1 5 - 3 0sr suuu 一3 o ) ，w a v ep r o b l e m sw o u l db em o r el i k e l yt oo c c u eu n d e rt h e c o n d i t i o nt h a tm a a to rm a g ti sh i g h e r ，a c c o r d i n gt ot h e i rc o n t r i b u t i o nt ot h ew a v e p r o b l e m s ，t h et h r e ef a c t o r sa r er a n k e da st h en a t u r a le a r t hs u r f a c e ，t h ei c ec o n t e n ta n d t h ee m b a n k m e n th e i g h tf r o mb i gt os m a l l p r o b l e mi n v e s t i g a t i o ns h o w st h a tl o n g i t u d i n a lc r a c k sc a l ld e v e l o pb e l o wt h e e m b a n k m e n tw i t ha l l ”凸”s h a p ep e r m a f r o s tt a b l e f i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a sa d o p t e d t os i m u l a t ea l le m b a n k m e n tw i t h ”凸”s h a p ep e r m a f r o s tt a b l ea n ds t r e s s s t r a i no nt h e e m b a n k m e n ta n du n d e r l y i n gp e r m a f r o s t u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h et e m p e r a t u r eo f t h eu n d e r l y i n gp e r m a f r o s tr i s e s ，e v e ni ft h ea r t i f i c i a lp e r m a f r o s tt a b l eg o e su p ， l o n g i t u d i n a lc r a c k ss t i l lc a nd e v e l o pi nt h ee m b a n k m e n tb e c a u s eo ft h ee x c e s s i v e c o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o nr e s u l t i n gf r o mt h ep e r m a f r o s tw a r m i n g f o rt h eh i g h e rs t a b i l i t yo ff r o z e ns o i le m b a n k m e n t s ，s t r i c t e rc r i t e r i o no fp r e s e r v i n g p e r m a f r o s tw a sp r o p o s e d i nt h i st h e s i s u n d e rt h e p r e c o n d i t i o nt h a ta r t i f i c i a l p e r m a f r o s tt a b l ed o e s n tf a l l ，t h ea n n u a lh i g h e s tt e m p e r a t u r eo ff r o z e ns o i la tt h e d i f f e r e n td e p t hf r o mo r i g i n a lp e r m a f r o s tt a b l et olo md e e pi sl o w e rt h a nt h ei n i t i a l t e m p e r a t u r ea tt h ec o r r e s p o n d i n gd e p t ho r 一0 3 t h ec r i t e r i o nc a nc o n s i d e rn o to n l y t h et h a w - s e t t l e m e n tb u ta l s ot h ee x c e s s i v ec o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o nr e s u l t i n gf r o mt h e p e r m a f r o s tw a r m i n g e n g i n e e r i n gp r a c t i c e s a n dr e s e a r c h e si nf o r e i g nc o u n t r i e sa g r e et h a t , t h e r m a l s e m i c o n d u c t o r sc a nb eu s e dt oc o o lf r o z e ns o i le m b a n k m e n t s t h eh i g h e rt h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yr a t i o ，t h et h i c k e rt h et h e r m a ls e m i c o n d u c t o r , a n dt h em o i s t e rs u r f a c es o i l ， t h ew i d e ra n n u a lt e m p e r a t u r ea m p l i t u d e ，a n dm e a na n n u a lt e m p e r a t u r en e a r e rt oo c ， a l lh e l pt oi n c r e a s et h en e g a t i v et e m p e r a t u r eo f f s e t w i t ht h em e a na n n u a ls i l l - f a c et e m p e r a t u r eo f - 0 5 ，一1 5 c , - 3 0 ，t h em o i s t s u r f a c ec l a ya n dt h ed r yg r a v e ls o i lw i t ha l la m p l i t u d eo f15 ( 2 ，n u m e r i c a lt e s t so nt h e a b s t r a c t t h e r m a ls e m i c o n d u c t o rw i t ht h e r m a lc o n d u c t i v i t yr a t i or a n g ef r o m0t o2 0a n d t h i c k n e s sf r o m0t o2 0 c mh a v eb e e nc a r r i e do u t t e m p e r a t u r eo f f s e to fm o i s ts u r f a c e c l a yc h a n g e sf r o m - 4 6 6 c t o0 c ，d r yg r a v e ls o i lf r o m - 4 2 2 ( 2t o0 c u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a ts u r f a c ei sm o i s tc l a ya n dm a g ti s 0 5 n u m e r i c a l a n a l y s i ss h o w st h a ti ti sf e a s i b l et oa d o p to n l yt h e r m a ls e m i c o n d u c t o rt oc o o ld o w nt h e f r o z e ns o i le m b a n k m e n tw i t hag r a v e ls o i ls u r f a c e f o rt h ef r o z e ns o i le m b a n k m e n t w i t ha na s p h a l tr o a ds u r f a c e , ac o m b i n a t i o no ft h e r m a ls e m i c o n d u c t o ra n dt h e r m a l i n s u l a t o rc a l ld o e s f o r2 8 ma s p h a l tr o a ds u r f a c e i ti sa na l t e r n a t i v et ou s ed o u b l e e m b a n k m e n t sw i t hr o a ds u r f a c eo f1 4 0mi nw i d t he a c hi n s t e a do fo n es i n g l e2 8 0 m w i d ee m b a n k m e n ti no r d e rt oc o o lt h ee m b a n k m e n t f o rt h e1 4 o mw i d ee m b a n k m e n t a s p h a l tr o a ds u r f a c e ，4 mh i g he m b a n k m e n ta n d15 c m t h e r m a li n s u l a t o rc a l le f f e c t i v e l y c 0 0 ld o w nt h eu n d e r l y i n gp e r m a f r o s t i no r d e rt oc h e c kt h ec o o l i n ge f f e c to ft h e r m a ls e m i c o n d u c t o rs l o p e p r o t e c t i o n l a y e r , f i e l dt e s t sw e r ec a r r i e do u ti nt h es e c t i o no fk 3 6 9 + 0 5 0 k 3 6 9 + 1 0 0a l o n gt h e 214n a t i o n a lh i g h w a y f i e l do b s e r v a t i o na n ds i m u l a t i o nd a t as h o w , c o m p a r i n gw i t h t h es e c t i o nw i t h o u tm e a s u r e s ，d i a t o m i t es l o p e - p r o t e c t i o nl a y e rc a ne f f e c t i v e l yd e l a y t h ed e g r a d a t i o no ft h eu n d e r l y i n gp e r m a f r o s t , a n di m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h e e m b a n k m e n t k e y w o r d s ：p e r m a f r o s t ，e m b a n k m e n t ，s u b s i d e n c ep r o b l e m s ，w a v e ，l o n g i t u d i n a lc r a c k , s c e n a r i oa n a l y s i s , t h e r m a ls e m i c o n d u c t o r , d i a t o m i t e 原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成 果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均己明确 注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均己在文 中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 研究生签名： 西! 乏垒_ 研究生签名： 芝3 垒臣一 日期：2 q 9 z 二q 墨二! q 关于学位论文使用授权的说明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属中国科 学院寒区旱区环境与工程研究所。本人完全了解中国科学院寒区旱区环境与工程 研究所有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构 送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权中国科学院寒区 旱区环境与工程研究所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，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离所后发表、使用论 文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为中国科学院寒 区旱区环境与工程研究所。 保密论文在解密后应遵守此规定。 研究生签名： 导师签名： 日期：2 0 q z 二q 墨二! q 日期：2 0 0 7 - 0 5 - 1 0 第一章前言 第一章前言 1 1 研究背景和意义 冻土，一般是指温度在o c 或o c 以下，并含有冰的各种岩石和土。按冻土 存在时间的长短，冻土一般可以分为季节冻土和多年冻土：从冻土发育的空间位 置来看，又可以分为高纬度多年冻土和高海拔多年冻土。现代多年冻土分布在除 澳大利亚大陆以外的五大洲，占全球陆地面积的2 5 。 在广大冻土地区，蕴藏着丰富的森林、矿产及生物资源。以面积1 3 0 0 0 0 0 k m 2 的青藏高原多年冻土地区为例，该地区不但储藏着丰富的煤、油、天然气等矿产 资源，还是日光和风力资源富集区，这里的年太阳总辐射量超过1 5 0k c a l c m 2 ， 年平均风速在4 m s 左右。随着全球经济的迅速发展，世界人口的不断增加，资 源和能源的日益匮乏，多年冻土地区丰富的资源、能源正在和将要得到更大规模 的开发，越来越多的冻土地区己经和正在成为人们生产和生活的场所，多年冻土 地区的各种工程也在不断被建设。位于多年冻土地区的岩土工程往往以多年冻土 作为天然地基，其稳定性必然受到冻土工程地质性质的影响。无论是多年冻土层 融化之后产生的永久变形还是季节活动层内发生的季节冻胀和融沉变形，都将危 害修筑于其上的工程建筑物。 多年冻土地区的道路作为寒区生产和生活的纽带，是寒区开发中不可缺少的 一个组成部分，路况的好坏直接关系到寒区开发的速度和效益。多年冻土地区 1 0 0 多年来的经验和教训表明，在多年冻土地区筑路，大部分情况下需要尽可能 的采用路堤结构形式。 我国寒区道路建设中第一次遇到高原多年冻土是在1 9 5 4 年7 月修建的青康 公路( 2 1 4 国道) 查拉坪段，由于当时缺乏对多年冻土工程特性的认识及其工程防 治措施，按一般沼泽地段施工常用的挖淤换土的处治方法，造成多年冻土大面积 暴露融化，后经改移路线填筑路堤，问题才得以基本解决。当时采用的为砂砾路 面，路堤下多年冻土退化并不严重。1 9 7 2 年，国家决定对青藏公路再次进行改 建，加铺沥青路面。沥青路面的吸热封水作用给公路建设增加了更大的难度，路 堤融沉变形加剧。为解决沥青路面所带来的各种新难题，交通部成立了三期科研 中国科学院博士学位论文：多年冻土地区路堤典型沉陷病害研究 组。在冻土路堤稳定性方面，将冻土温度与路基设计原则结合起来，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，以设计使用 年限容许变形为指标、控制路堤基底上限下降允许值的路基高度设计经验公式， 现场试验了改性沥青路面、钢纤维混凝土路面、聚苯乙烯隔热层及热桩制冷技术 在路堤工程病害中的效果。这些科研成果为青藏公路的整治改建提供了理论和技 术支撑，虽然取得了明显成效，青藏公路行车速度由整治前的2 0 - - 3 0 k m h 提高 到整治后的5 0 6 0 k m h ( 武憨民等，2 0 0 5 ) ，但是路堤的长期稳定性仍然较差， 路堤下的多年冻土仍处于持续退化中，路堤下人为上限加深，融化核的厚度增大 ( 王绍令等，1 9 9 3 ；王绍令等，2 0 0 1 ；盛煜等，2 0 0 2 ；盛煜等，2 0 0 3 ) 。 提高路基作为青藏公路三期科研成果的一个重要组成部分，不但在青藏公路 中被广泛采用，在2 1 4 国道改建工程和青藏铁路多年冻土段建设中也大量采用。 己改造成为二级路的2 1 4 国道，多年冻土段的路堤高度绝大部分在2 m 和2 m 以 上；刚刚通车不到1 年的青藏铁路通过多年冻土段5 4 6 4 1 k i n ，其中路堤工程占 4 2 0 k m 之多( 吴志坚，2 0 0 5 ) ，而且绝大部分路段的路堤高度超过3 m 。高路堤的 采用有效的延缓了路基下多年冻土的退化速度，减小了路面波浪和沉陷的病害 率，提高了道路早期的使用质量，但是随着运营时间的增加，高路堤的问题不断 显现。路堤尤其是近东西走向路堤的坡向差异加剧，路面横向不均匀变形增加， 路堤纵向裂缝破坏严重( 叶拔友，1 9 8 7 ；吴青柏等，2 0 0 2 ；张鲁新等，2 0 0 3 ) ： 波浪病害虽有所减轻，整体来看仍然十分严重( 窦明健等，2 0 0 2 ) 。 除了加高路堤措施外，目前还采用了热棒路基、遮阳板护坡、碎石护坡、碎 石路基、通风管路基等多种冷却冻土路堤的措施，大部分措施在治理冻土路堤典 型沉陷病害方面均取得了不错的工程应用效果。但是，这些措施还没有完全根治 路堤沉陷病害，而且部分措施由于应用性较差在工程实践中尚没有得到推广。 以上事实说明，在当前的工程实践尤其是黑色沥青路面工程实践中，波浪和 纵向裂缝作为冻土路堤工程上两类典型沉陷病害，还没有得到充分的研究和解 决。青藏高原多年冻土区路堤工程中已有的措施基本上都是采用了调控辐射或者 调控对流的冷却路堤思路，调控传导作为冷却冻土路堤思路的补充和完善，其可 行性还需要验证，相关问题还需要得到研究。 第一章前言 1 2 研究进展及现状 路堤工程作为目前多年冻土地区道路工程中最多使用的路基结构形式，对它 的研究和关注在工程界和学术界长期存在，譬如路堤工程病害及其机理研究、路 堤合理高度研究、路堤病害防治对策研究等。 1 2 1 路堤工程病害及其机理研究 2 0 世纪5 0 年代初修建青康公路查拉坪段的时候虽然采用了挖淤换填的不合 理方法导致了公路严重的沉陷、翻浆病害，但是在采用填土路堤以后也并没有从 根本上解决该段路基的稳定性问题，尤其是在7 0 年代初采用黑色路面以后，路 堤工程段的路基病害大量出现。从此以后，多年冻土地区的工程技术人员和科研 工作者就在不断与路堤工程病害做斗争，开展路堤病害的发生规律、发生机理研 究。多年冻土地区的路堤变形病害包括沉陷类病害、冻胀和翻浆病害等，其中沉 陷病害以路堤波浪变形、路堤纵向裂缝等表现多见。 1 、冻胀和翻浆 冻胀是指路堤填土因冻结而发生隆起变形的现象，是一定的温度、水分和土 质条件组合在一起而发生的一个自然现象。对冻胀机理的研究早期主要采用实验 的手段建立经验公式和简单的理论模型，现在主要采用数值手段来研究土体的冻 胀机理。e v e r e t t ( 1 9 6 1 ) 首先利用土体中水分迁移的毛细理论解释和估计了冻胀 和冻胀量，这种土体冻胀的毛细说被称为第一冻胀理论；i - i a r l a n ( 1 9 7 3 ) 基于非 饱和土中水的运动和正冻土中水分迁移的相似性建立了流体动力学计算模型；毛 细说无法解释不连续冰透镜的形成机制，m i l l e r ( 1 9 7 2 ，1 9 7 7 ) 提出在冻结锋面 和最暖冰透镜底面存在一个低含水量、低导湿率和无冻胀的带，称为冻结缘 ( f r o z e nf r i n g e ) ，冻结缘理论克服了毛细理论的不足，被称为第二冻胀理论；o n e i l l ( 1 9 8 5 ) 基于土的二次冻胀建立了土体中水分迁移冻结的刚性冰模型，该模型假 设冻结边缘的冰与增长的冰晶刚性连接，孔隙冰可以移动；d u q u e n n o i ( 1 9 8 5 ) 、 f r e m o n dm ( 1 9 9 1 ) 将温度场、水分场、应力场统一考虑提出了冻土中水分迁移 的水、热、力耦合模型；在冻土多相介质静力平衡方程、质量守恒原理、能量守 恒原理、土骨架与冰颗料、水之间的传力机制及水、冰之间相变机制的基础上， l in i n g ( 2 0 0 0 ，2 0 0 2 ) 等系统地推导了冻土中土、冰、水三相介质的温度场、 变形场、水分场三场耦合问题的微分控制方程，开发了相应的冻土三场耦合数值 中国科学院博士学位论文：多年冻土地区路堤典型沉陷病害研究 分析软件，为定量研究冻胀提供了科学依据。 上述理论的发展促进了冻胀机理的研究，在道路工程实践中对于冻胀病害及 其防治对策的研究也在不断发展。 早期的工程实践和研究结果认为，寒区路堤的冻胀病害主要有三个原因：( 1 ) 路堤填料的含水量过大或者地下水位较浅；( 2 ) 路堤填料不当，采用了粉土或者 粉粘土；( 3 ) 路堤高度过小，路面到地下水位的距离小于土壤水的毛细上升高度。 关于路堤填料的冻胀性，冻土工程地质勘察规范( g b5 0 3 2 4 2 0 0 1 ) 已经做了 详细的规定。近来的研究表明，路堤冻胀病害除了与上述因素有关以外，还有新 的发现。张喜发等( 2 0 0 2 ) 在长余高速公路的冻胀病害监测中发现，路基的底基 层和垫层所采用的砂砾土尽管为粗颗粒土，但是由于掺杂有细粒土，尽管很多冻 胀破坏路段的细粒土含量小于5 ，但是现场原状样的融沉系数却相当大。除了 粗颗粒土中细粒土含量对路堤冻胀有重要影响以外，非竖向水分迁移也是影响路 堤冻胀的一个重要因素。张冬青等( 2 0 0 4 ) 认为，路堤填料中的水分来源不一定 都是地下水由下向上的竖向迁移，地面水也可通过路肩边坡、失效排水沟、路面 裂缝和中央分隔带等部位侵袭到路基中来，从而使路基土和结构层材料性能恶 化。 路堤翻浆是指路面下的高含水量垫层材料泥浆，在行车荷载作用下被从 路面挤出的一种现象，经常出现在发生严重冻胀病害的路段。道路发生翻浆必须 具备两个条件，一是路面下要有高含水量的填料，二要有行车荷载的作用。没有 高含水量的填料，就不可能在路面下形成道路翻浆所需物质条件一泥浆：没有 行车荷载的反复碾压，水和垫层材料就不可能充分的混合，同样，如果没有行车 荷载的冲击和下压作用，即使在路面下形成泥浆，浆液也不能被挤出，并继而发 生道路翻浆病害。对于没有铺装高级路面的公路而言，上述两个要素就有可能形 成翻浆。然而，对于铺装沥青混凝土、水泥混凝土等高级路面的道路而言，道路 翻浆还需要第三个条件路面破损。显然，路面下的泥浆不会从完好无损的路 面下被挤出。陈洪凯等( 2 0 0 2 ) 认为高寒地区道路翻浆分为气候翻浆和动力翻浆 两大类型。气候翻浆主要指诱发道路翻浆的主要原因是气温的变化，体现在冻结 和融化两个方面，构成一个道路翻浆周期，发生此类道路翻浆的前提条件必须是 路基岩土体中粘土含量多、地下水含量高( 一般趋于饱和) 。处于饱和或准饱和状 第一章前言 态的高含量粘土路基在周期性动力荷载作用下强度衰减的公路水毁类型，称为动 力翻浆型道路翻浆。翻浆对公路的运行效益和驾乘人员的舒适度有重要影响，翻 浆对道路运行质量危害较大，公路沥青路面养护技术规范( 仃j0 7 3 2 2 0 0 1 ) 在评价路面破损状况时把翻浆引起的路面破损系数定为最高值1 0 。以前由于道 路等级较低，翻浆病害多发。随着路堤高度增加、路堤填料要求更严格、路面等 级更高，翻浆病害已经基本得到根治。 目前，学术界对冻胀和翻浆已经有了比较深入的认识，工程界对这两种类型 的病害治理和预防也已经有了比较可行、经济的措施。尽管当前的很多冻土路堤 工程中仍然存在冻胀和翻浆病害，但是这两种类型的病害已经大大减小，主要发 生在低等级的公路上，在高等级公路上出现的少量病害往往也是由于施工质量控 制不够严格所致。因此，以后对冻胀和翻浆的研究更多的是体现在学术价值上， 就冻土路堤工程而言，当前的认识水平已经能够满足工程建设的基本需要。 2 、沉陷类病害 路堤沉陷是多年冻土地区路堤工程最主要的病害类型，此种病害发生率高、 危害大、难以根治，也是从事冻土路堤工程的科研人员和工程技术人员所面临的 最为棘手的难题。 刘永智对青藏公路的病害资料进行统计后发现，青藏公路8 0 以上的破坏路 段均为沉陷病害，沉陷类病害主要出现在高含冰量高温冻土段( 刘永智等，2 0 0 2 ) 。 沉陷类病害与路堤下的冻土地质条件固然密不可分，同时还受到边界温度条件和 路堤高度的影响。路堤高度较低的路段，路堤沉陷病害发生较早，沉陷变形量较 大；反之，采用较高的路堤可以有效抑制冻土路堤的早期沉陷变形。路面对路堤 沉陷病害的影响也不容忽视。在同等条件下，砂砾路面下路堤的沉陷变形较小， 水泥路面下的沉陷变形较大，沥青路面下的沉陷变形最大。 冻土是由土颗粒、水、冰、气体组成的四相多孔介质，在冻结状态下，强度 较高，是一种良好的建筑材料。但是，随着冻土温度的升高，冻土的强度下降， 在冻土融化过程中，其强度急剧下降。多年冻土地区的路堤就是建筑在这样一种 对温度极其敏感的地基上，可以说，如果保持天然冻土地基的冻结状态，那么冻 土路堤的沉陷病害基本可以避免。但是，多年冻土地区的冻土地基并不是一个孤 立体系，无论是在路堤修筑前还是修筑后，它都与外界进行着能量和物质的交换。 中国科学院博士学位论文：多年冻土地区路堤典型沉陷病害研究 冻土地基与外界的物质交换主要是指土体中水分的迁移。能量的交换则包括多个 方面，地中热流的侵蚀，路堤修筑后与两侧冻土体的热交换，季节变化过程中与 地表能量的交换。冻土地基与外界的物质交换尤其是能量交换对路堤下冻土的热 状况产生重要影响。路堤修筑前，天然冻土体保持着动态的热量与物质平衡，冻 土的上限变化不大。修筑路堤后，尤其是在铺设沥青或水泥路面后，路堤及地基 土中的