（交通运输工程专业论文）多年冻土地区特殊路基设计与施工技术研究.pdf

摘要 多年冻土及其特殊工程性质给工程建设带来了显著影响，其中冻土路基的热 稳定性是最关注的问题之一。论文在“系统总结历史成果、充分利用当前成果、 注重指导设计实践、便于施工质量控制”理念指导下，采用室内模拟试验、数值 仿真分析、实体试验工程修筑与观测等方法，重点从设计要点与施工质量控制方 面，对多年冻土地区特殊路基调控技术开展了系统研究。 纵向裂缝、热融沉陷、冻胀翻浆是多年冻土地区路基病害的主要形式。根据 路基对阴阳坡效应响应的程度，多年冻土区填土路基病害可分为低路基病害与高 路基病害；产生原因主要有多年冻土特殊性状、恶劣自然环境和人为因素。研究 得出，保持冻土上限稳定的路基合理高度是随时间变化的，并给出了路基合理高 度的定义及其数学表达式；放缓路堤边坡及设置保温护道对冻土路基热稳定性的 改善效果并不明显；提出了多年冻土地区一般路基的设计原则与方法。通过多年 冻土地区特殊调控路基的机理、适应性、设计要点与施工技术等研究表明，隔热 层只能改变进入多年冻土的热周转量，但不能改变多年冻土热储增加的趋势，其 仅适用于低温冻土区；碎块石路基具有较强的主动冷却路基的作用，是青臧高原 合理经济的路基结构形式；无动力热棒在工作周期内是波动式工作的，能有效降 低地温，双棒优于单棒，斜置优于竖置；遮阳板能有效遮蔽路基本体吸收太阳辐 射热，减少路基体吸热，其工作时效是常年的；对流通风路基和组合式路基效果 显著；特殊路基调控措施是解决高温冻土区路基病害、宽幅路基病害的有效措施。 研究提出了特殊调控路基的设计要点与施工质量控制措施，以及应该注意的问题。 关键词：多年冻土：路基；调控措施；机理；设计要点；施工质量控制； a b s t r a c t t h ep e r m a f r o s ta n di t ss p e c i a le n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sh a v ec a u s e ds e r i o u sp r o b l e m s t ot h el o c a le n g i n e e r i n gp r o j e c t s ，o fw h i c ht h et h e r m a ls t a b i l i t yo ft h er o a d b e di st h e m o s tc h a l l e n g i n go n e i nt h i s p a p e r , t h ed e s i g nc o n c e p tb a s e do ns u m m a r i z i n gt h e f o r m e rr e s e a r c hr e s u l t s ，m a k i n gf u l lu s eo ft h ep r e s e n ta c h i e v e m e n t s ，c o n s i d e r i n gt h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n dc o n t r o l l i n gt h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yi sa d o p t e d u n d e rt h e g u i d a n c eo ft h ec o n c e p t ，m a n yi n d o o re x p e r i m e n t s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n df i e l d t e s t i n gw o r k s ，f o rp u r p o s eo fs e r v i n ge n g i n e e r i n gd e s i g na n dq u a h t yc o n t r o lo fr o a d b e d c o n s t r u c t i o n ，w e r ee m p l o y e dt os y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c hs p e c i a lr o a d b e dr e g u l a t i n g t e c h n i q u e si np e r m a f r o s tr e g i o n s b e c a u s eo ft h er e p e a t e df r e e z e t h a wc y c l e s ，m a n yp e c u l i a rr o a d b e dd i s e a s e s ，s u c h a sl o n g i t u d i n a lc r a c k s ，t h a w i n gs e t t l e m e n t ，f r o s th e a v i n ga n df r o s tb o i l i n gd e v e l o pi n p 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 ed e g r e eo ft h es u nr a d i a t i o na f f e c tc a u s e db yt h e e m b a n k m e n t s l o p e s ，t h ed i s e a s e sc a n b ec l a s s i f i e di n t ot h o s er e l a t e dt ol o we m b a n k m e n t a n dt h o s er e l a t e dt ot g 豇e m b a n k m e n t t h ec a u s e so fd i s e a s ef o r m a t i o na r em a i n l yd u e t ot h es h a p eo ft h eu n d e r l y i n gp e r m a f r o s tm o r p h o l o g y , p o o re n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s a n dh u m a na c t i v i t i e s t h es t u d yi n d i c a t e st h a tt h er e a s o n a b l ee m b a n k m e n th e i 曲tf o r k e e p i n gt h eu n d e r l y i n gp e r m a f r o s tt a b l eb es t a b l e ，v a r i e sw it ht i m e m o r e o v e r , t h e d e f i n i t i o na n dm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o no ft h er e a s o n a b l ee m b a n k m e n th e i g h tw e r e o b t a i n e d d e c r e a s i n gt h es l o p eg r a d a t ea n db u i l d i n gt h e r m a l i n s u l a t e db e a mh a v en o o b v i o u se f f e c to ni n c r e a s i n gt h et h e r m a ls t a b i l i t yo ft h er o a d b e d t h u sag e n e r a l d e s i g n i n gp r i n c i p l ea n dm e t h o d so ft h er o a d b e di np e r m a f r o s tr e g i o n sw e r es u g g e s t e d t h es t u d i e so nt h e m e c h a n i s m ，a d a p t a b i l i t y , d e s i g ne s s e n t i a l s a n dc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g yo ft h es p e c i a lr o a d b e da d j u s t m e n ts h o wt h a tt h et h e r m a li n s u l a t i o nm a t e r i a l t a i lr e d u c et h ea m p l i t u d eo fa n n u a lg r o u n dt e m p e r a t u r ev a r i a t i o n s ，r e s u l t i n gd e l a y e d t h a w i n go ft h ep e r m a f r o s t h o w e v e r ，i tt a i ln o tc h a n g et h et r e n dt h a tr o a d b e d sa b s o r b m o r eh e a te n e r g yt h a nt h a tt h e yr e l e a s e t h et h e r m a l i n s u l a t e de m b a n k m e n ti s o n l y a p p l i c a b l ei np e r m a f r o s ta r e a sw h e r et h eg r o u n dt e m p e r a t u r ei sl o w ( c o l dp e m a a f r o s t ) t h ec r u s h e d r o c kr o a d b e d sc a r lp 1 - o a c t i v e l yc o o ld o w nt h eu n d e r l y i n gp e n n a f i o s ta n d u p - l i f t t h e p e r m a f r o s tt a b l e ，w h i c h i st h er e a s o n a b l ea n de c o n o m i cr o a d b e d c o n f i g u r a t i o n t h et h e r m a lp i p e sc a r le f f e c t i v e l yl o w e rt h eg r o u n dt e m p e r a t u r ei nw i n t e r t i m et h r o u g hp h a s ec h a n g i n ga n dc i r c l i n go ft h em e d i ai n s i d et h e m f u r t h e r m o r e ，t h e c o o l i n ge f f e c to ft h et h e r m a lp i p e si n s t a l l e di nt h eb o t hs i d e si sb e t t e rt h a nt h a ti no n e s i d eo ft h er o a d b e d ，a n dt h ee f f e c to ft h et h e r m a lp i p e si n s e r t e ds l a n t i n g l yi sb e t t e rt h a n t h a ti n s e r t e dv e r t i c a l l y t h ea w n i n gs e r v e sa sas h e l t e ro v e rr o a d b e dc a r l e f f e c t i v e l y s h a d et h es u r f a c ef r o ms o l a rr a d i a t i o na n dr e d u c et h eh e a ta b s o r b e db yt h er o a d b e d i t i sa v a i l a b l ei n c e s s a n t l ya l lt h ey e a rr o u n d t h ed u c t v e n t i l a t e da n dc o m b i n e dr o a d b e d s a l s oh a v es i g n i f i c a n te f f e c to nc o o l i n gd o w nt h eu n d e r l y i n gp e r m a f r o s t t h e r e f o r e ，t h e s p e c i a lr o a d b e d 删u s t m e n t sc a ne f f i c i e n t l ya v o i dt h ed i s e a s e so ft h er o a d b e di nw a r f f l p e r m a f r o s ta r e a sa n dt h er o a d b e dw i t haw i d ep a v e m e n t a tl a s t ，s o m ed e s i g np o i n t sf o r t h er o a d b e da a j u s t m e n t ，m e a s u r e sf o r c o n t r o l l i n gt h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t ya n dt h e n e c e s s a r yn o t i c e si 1 1t h er o a d b e dc o n s t r u c t i o nw e r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：p e r m a f r o s t ；r o a d b e d ；r e g u l a t i n gt e c h n i q u e s ；m e c h a n i s m ；d e s i g ne s s e n t i a l s ； c o n t r o l l i n gt h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t y 论文独创性声明 一：硬勃中f 一日 论文知识产权权属声明 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 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：够 导师签名：多易i j o r ， 盘尹瑚枷 庐7 年r 月_ 一日 长安人掌颀卜- ；- 7 - 位论义 o 绪论 地球上多年冻土、季节冻土和瞬时冻土区的面积约占陆地面积的5 0 ，其中多年冻 土占陆地面积的2 5 ，在我国，多年冻土面积约占国土面积的2 2 4 。我国的多年冻土 以青藏高原高海拔多年冻土为代表，其在全球多年冻土分布中具有无可替代的地位。它 是世界上中、低纬度( 北纬3 2 0 - - - 3 6 0 ) 地带海拔最高、面积最大的冻土区，冻土分布面 积约1 5 x 1 0 5 平方公里，约占我国多年冻土面积的7 0 ，冻土分布区域海拔一般均超过 4 0 0 0 m 。高原冻土分布具有多样性特点：高温、中温与低温冻土均有分布，其中高温 冻土分布最为广泛；冻土分布具有高度地带性，同时又有一般纬度与经度分布的规律性 【2 】。不论高温冻土还是中低温冻土在近代均处于退化之中，冻土地温升高、厚度减薄、 面积逐步缩小；生态环境脆弱，工程环境对冻土稳定性影响大，导致冻土环境不稳定并 由此带来严重的工程病害。其病害的主要特征是热融沉陷和冻胀翻浆，这不仅大大提高 了建筑工程造价，而且严重影响工程的使用效果与寿命。 我国自1 9 5 3 年在青藏高原冻土区修筑青藏公路始，5 0 多年来冻土地区筑路技术取 得了很大的进步，特别是2 0 世纪7 0 年代以来，伴随着青藏公路的改建、整治，科技 工作者在多年冻土区独特的地理、气候环境中，一直连续开展联合攻关研究，取得了丰 硕的研究成果，这些成果为青藏公路建设与整治、改建及青藏铁路开工建设，提供了坚 实的科学依据，填补了世界该技术领域的空白。同时也确立了我国在高原多年冻土研究 领域的国际领先水平和地位。青藏公路不同时期所表现出的工程病害，体现了冻土工程 的复杂性，也是人们意识到多年冻土工程艰巨性的必然过程，同时，也使公路工程界认 识到在多年冻土地区进行公路建设与研究的复杂性与长期性。高原多年冻土区公路工程 技术研究是一个认识实践再认识再实践一次又一次创新的研究过程。 本论文多年冻土地区特殊路基设计与施工技术研究，在持续关注已有调控工程 措施应用状况的基础上，依托青藏公路改建完善工程路基路面稳定保障技术研究 和青藏公路改建完善工程，针对青藏公路多年冻土区的路基病害，从科研理论分析到施 工应用实践，探讨特殊路基设计与旌工技术，以及其改进思路和方案，研究并提出多年 冻土区特殊路基的设计技术与施工质量控制方法，为促进多年冻土地区道路修筑技术发 展提供依据。 k 安人学顾i j 学位论文 1 1 本课题研究的背景与意义 第一章概述弟一早卞坑逊 多年冻土是一种对温度十分敏感且性质易变的地质体，它是在地壳外热源和内热源 共同作用下形成、发展、退化、消亡的。与一般的土类相比较，它是既包含固体( 矿物 骨架) ，液体( 未冻水) 和气体( 水蒸汽和气体) ，又含有塑性粘滞体( 冰) 的四相体系， 其各相态成分的含量和特性是随外部条件( 温度、压力等) 的改变而改变的，并与外界 条件处于动态平衡之中。组成的特殊性使得其与一般土类相比较，其最大的特点就是相 态冰的存在、影响和变化，导致冻土体在热力学方面表现出不稳定性。这种热不稳定性 常常致使冻土区的结构物基础发生破坏，进而影响结构物的使用功能和寿命。这种特殊、 低温和易变的地质体对寒区经济开发、工程建设及人类生存、发展产生了重要的影响。 可以说，冻土路基的热稳定性已成为冻土地区工程建设人们最关注的问题。 随着我国国民经济的发展和西部大开发战略的推进，多年冻土地区的开发建设力度 逐年加大，使得该区的生产和生活条件得到了很大改善。作为基础设施的公路建设在物 流配置、信息的交流与传递、人员流动和思想认识的改变、国防建设等诸多方面发挥着 极其重要的作用，为促进国防和经济建设，+ 国家对中尼、新藏等公路的升级改造也已启 动，东北老工业基地交通基础设施建设进程也明显加快。冻土地区公路修筑技术，特别 是冻土地区公路路基稳定技术是保证该地区公路使用质量和工程安全的关键。因此，开 展多年冻土地区特殊路基设计与施工技术研究，对直接指导冻土地区公路工程建设是十 分必要的。 以青藏公路为代表的多年冻土地区公路工程技术是世界冻土工程的宝贵财富。青藏 公路历次整治、改建工程，是冻土地区筑路技术研究的最大的实验工程。随着青藏高原 的开发利用和经济建设的发展，青藏公路负荷不断增加，人类活动的影响不断升级，与 此同时，全球气候转暖对多年冻土的影响逐渐显现，青藏公路沿线多年冻土的退化日趋 严重，公路路基下的冻土退化速度更为迅速，导致青藏公路路基路面产生新的病害 1 _ 】。 在青藏公路第一期整治工程( 1 9 9 2 1 9 9 6 年) 竣工的3 4 0 余公里路段中，产生不同程度 纵向裂缝的路基达1 4 公里左右嘿1 9 9 6 年至1 9 9 9 年实施的第二期青藏公路整治工程 局部路段路基也出现了严重的纵向丌裂与不均匀变形，特别是高温多年冻土区路基产生 的热融沉陷与纵向裂缝等病害：2 0 0 2 年至2 0 0 4 年依托青减公路整治改建工程，试验实 第一章概述 施了一系列路基特殊调控技术工程措施。实际应用状况表明：目前，对这些病害还没有 十分成功的整治措施。因此，有必要在总结已有研究成果的基础上，针对目前路基存在 的纵向裂缝、热融沉陷等问题，继续研究其产生的原因、机理，分析现有措施中存在的 问题，探询改进思路和方法，加强过程控制和施工应用指导，并进一步提出和优化多年 冻土路基设计中的主要参数和设计方法。此外，国家远景规划已将青藏高速公路建设 纳入，由于高原特殊的地理环境，高速公路建设将面临比青藏公路更复杂的冻土工程技 术与生态环境保护问题，高速公路运营期的安全要求，也将给公路建设提出更高更新的 目标。因此，开展多年冻土区特殊路基设计与施工技术研究，对为新建、改建公路建设 项目提供技术支撑，为已建成的公路提供合理的整治技术；都具有重要意义。 1 2 多年冻土地区路基设计和施工面临的主要问题 1 2 1 多年冻土 多年冻土作为特殊复杂的四相体系地质体，无疑是影响该区路基稳定的最直接原 因。路基作为附着于地表的线性冷生岩土结构物，它紧密的依存于天然土层，并共同接 受太阳辐射能对其表面和地中温度的影响；由于路基具有一定的几何断面，与天然地基 相比，填土、开挖或设防的结果改变了路基土体的水热交换条件，因而其冻融过程和温 度场与天然地层有着明显的区别。和常规的公路路基相比，由于温度的介入和水分的存 在，在土体正、负温交替和波动所引起的土中固液相剧变影响下，多年冻土地区路基土 体及基底土层的工程性质发生了一系列变化，从而也改变了路基稳定性评价标准的侧重 点。土体温度借助水分的存在，在以下几个方面影响多年冻土区路基土体和基底的稳定： 温度的变化是土中的水分冻结( o 。c 或零下某一起始冻结温度) 而产生土体冻胀和土体 热融( 具有一定含冰量的冻土在负温转化成正温时可能引起的融沉、融陷、滑坍) 的根 本原因；土体从正温降到负温，由于降温强度、速度不同，可能形成不同的冻土结构( 整 体、层状、网状) ，土体的强度也有所不同；冻结持续温度不同，形成的冻结状态也不 同，持续低温形成坚硬冻土，高强度，脆性，持续负高温，责形成塑性冻土，变形量大； 负温条件下冻土中仍保持一部分未冻水，负温区温度的变化，冰未冻水的比例也发生 了变化，这种负温条件下土中固、液相转化同样也会影p l a i n 冻土的强度和路基的稳定性。 可以说，路基下存在的多年冻土是多年冻土区路基产生病害的主要原因。 4 k 安人学硕l j 学位论义 1 2 2 低温 气温低是该地区的鲜明特征。自6 0 年代以来，经过广大科研人员的深入研究和艰 苦努力，对多年冻土的认识也在逐步深化，结合实体工程建设，取得了一定的治理路基 病害的经验，研究的侧重点也相应的发生了改变，由原来的工程冻土转变为现在的冻土 工程。对寒区道路工程的认识理念也发生了改变，即多年冻土地区路基设计与施工既要 考虑冻土，也要考虑低温这一特殊环境。以前往往对多年冻土考虑较多，认为多年冻土 的相变引起的冻胀和融沉是该区路基的主要病害；现在研究认为，除多年冻土本身外， 施工和运营阶段长期的或波动的低温甚至负温以及大气转暖、冻土退化等原因，使得一 般的设计方案在施工中很难达到设计者的初衷，如按普通施工方法和材料控制施工，桩 基混凝土在多年冻土区负温或临界负温情况下的强度很难达到设计要求，面层结构中有 些结构层强度严重不足，不同材料经历反复冻融循环后强度会出现明显衰减等等。应该 认识到，低温甚至负温是多年冻土区路基产生病害的又一主要原因。 1 2 3 设计方案和施工控制 多年冻土区公路设计应考虑该区公路网不成熟，大多数新建、改建路段在建设过程 中将面临既要施工又要保通的要求。以青藏公路为例，青藏公路承担的货物运输任务没 有因为青藏铁路的开通而降低，随着西藏地区社会经济的发展，物资需求量在激增，青 藏铁路由于种种原因目前只承担了有限的货运任务，青藏公路现在的运输任务还很繁 重，且青藏公路地理位置特殊，附近没有较成熟的路网连接线，在申请间隔交通管制集 中施工后，导致阻车严重，车辆无法或很难绕行通过，出现了被阻车辆闹事，地方政府 干预施工正常进行等问题。另外，某些路段设计了重修路基路面，但实际情况无法修筑 施工便道，这就意味着在间隔施工间隔保通的要求下，水泥稳定砂砾基层在刚铺筑后， 强度尚未形成前就得通车放行。这样水稳层的质量和作用效果就无法保证。这些特殊的 交通状况和保通要求引发的问题对优化设计方案提出了更高的要求。 青藏公路病害严重的多年冻土段平均海拔超过4 5 0 0 m ，这里气候寒冷、负温交替频 繁，冻融循环剧烈、。施工过程中水泥稳定砂砾基层、混凝土等的强度很难按设计如期 形成；雨雪异常频繁的气候、长距离的拌合料运输，给沥青路面的铺筑带来困难，在沥 青路面铺筑过程中常常能见到一阵冰雹一阵雨，影响路面铺筑质量。道路病害很难界定 是路基病害还是路面病害占主导作用，这种恶劣的自然环境导致的施工质量控制问题应 引起设计和施工控制重视。 第一章 述 另外，不规范施工，不f 确的过程控制也是导致路基病害的主要原因。 冻土路基勘察是决定路基设计与施工等的前提条件，翔实、准确了解公路沿线所经 区域的冻土分布情况，冻土地质情况，对于路基设计以及分析、评价和选择处理路基病 害方案有指导意义。 1 3 冻土工程国内外研究现状 1 3 1 国外冻土工程研究现状 人类对冻土的认识研究伴随着工农业生产实践，经历了不断发展的历史进程。国际 上对冻土工程问题开展研究进而建立起独立学科的当属俄罗斯。早在1 6 世纪，就己出 现西伯利亚和北美有冻土的报导，m b 罗蒙诺索夫在1 7 5 7 年发表“冻土地”的科学综述， 对“冻土地”的形成及其气候、地形的关系提出看法。1 9 世纪上半叶，己初步获得西伯利 亚冻土层的温度、厚度、埋藏条件和分布情况等数据。1 9 世纪后半叶，西伯利亚工农业、 人口大量迁移，尤其是西伯利亚大铁路的建设极大地推动了冻土研究。1 9 0 4 年1 9 1 4 年间修建的阿穆尔铁路( 通过多年冻土区2 2 0 0 k m ) 常因冻融影响而破坏，每年要耗费 大量的资金维护，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( 通过多年冻土区2 5 0 0 k m ，1 9 7 9 - - - 1 9 8 4 年建设) 修建中完成了大量的冻土研究工 作。1 9 1 2 年俄罗斯学者出版了永久冻土与永久冻土上的建筑物一书，阐述了外贝加 尔永久冻土条件下建造建筑物的方法，为工程冻土学的发展做出了巨大贡献。1 9 1 7 年后， 冻土研究进入有计划有目的研究阶段，成立了冻土研究机构，前苏联在冻土力学、冻土 温度场计算等理论分析方面有其独到的见解，对冻土研究有很大的借鉴作用。谢尔金探 井( 深1 1 6 m ) 的冻土温度数据在1 9 2 5 年测得。1 9 2 7 年苏联境内永久冻结土壤一书 的出版标志着冻土学逐步发展成为一门独立的学科，普通冻土学作为第一部冻土学 教科书于1 9 4 0 年出版。 在北美，1 6 世纪文献中已出现哈得逊湾深处的岩石为永久冻结状态及埃什绍利茨湾 沿岸有厚层地下冰体存在的报导。二战之前，北美在多年冻土地区( a l a s k a 以及加拿大 的y u k o nt e m t o r y ) 采金矿，主要进行了一些与道路工程相关的季节冻土研究，多年冻 土的研究则是在地质勘察过程中进行了有限度的探索。1 9 4 3 年诺曼布尔斯阿拉斯加费 尔班克斯的c a n o l 输油管道建成，约2 0 0 0 k m ，由于没有认识到冻土地区输油管道工程 所面临的问题，管道直接铺设在地面上，导致多年冻土融化下沉于次年废弃。二次大战 中，亚北极地区军事工程建设受冻土问题困扰，迫使美国军事部门成立专门研究机构， k = 安人学颀j ：葶位论义 开始了对工程冻土学的大规模研究，1 9 6 1 年美国陆军部将北极建设与冻结作用实验室和 雪冰与多年冻土研究所合并成立了寒区研究和工程实验室u sa r m yc o l dr e gr e se n g l a b ( c 酣也l ) ，专门从事北极战争条件、房屋结构、道路工程等寒区工程研究，并取得 了丰硕成果。a l a s k a - - c a n a d a 公路，加拿大、阿拉斯加军事基地，机场跑道，n o r m a nw e l l s _ 一a 1 a s k a 公路，以及战后1 9 5 0 年a l a s k a 铁路修建( 费尔班克斯至苏厄德) 遇到的冻土 问题，促进了冻土工程研究的迅速发展。2 0 世纪6 0 年代以来，北极海洋石油大量开发， 开始了北极海岸和海底多年冻土研究，7 0 年代在对多年冻土和冻土环境开展深入研究的 基础上，修建了北美最大的a l a s k a 输油管道工程，从普拉德霍贝到瓦尔迪兹，贯穿 a l a s k a ，南北全长1 2 8 0 k m ，管径1 2 2 m ，原油温度7 0 - 8 0 ，管线7 0 通过多年冻 土区，在融化敏感类冻土区采用架空油管设计方案，配置必要的热棒( 热桩) ，避免冻 土融化 2 9 1 。 1 3 2 国内冻土工程研究现状 我国在春秋战国时期( 公元前7 7 0 年公元前2 2 1 年) 就出现了有关冻土的记载， 2 0 世纪4 0 年代西部高山多年冻土及东北多年冻土已有报导。但我国冻土工程研究起步 较晚，5 0 年代青康公路、青藏公路、大小兴安岭林区公路及铁路的修建，开创了我国多 年冻土地区冻土工程研究的新纪元。1 9 5 6 年辛德奎等在整理以往东北地区冻土调查资料 基础上发表了“中国东北地区多年冻土的分布”一文，这是我国第一份关于东北多年冻土 分布特征的总结，认为东北冻土南界相当于年均气温为0 c 等温线和一月平均气温为 2 4 。c 的等温线。1 9 5 7 年铁道部门在大小兴安岭林区铁路勘测设计中调查了冻土分布和 各种冻土工程地质现象，并将相关成果总结到多年冻土的工程地质和铁路建筑一书 中( 铁道部第三设计院，1 9 5 8 ) 。1 9 5 3 年青康公路、1 9 5 4 年青藏公路通车，青藏高原多 年冻土问题引起交通、铁道部门的关注，1 9 5 6 年青藏铁路第一次勘测设计，此后5 0 多 年间，围绕青藏公路的改建、青藏铁路新建，国内冻土工程研究人员开展了大量的研究 工作，并由此确立我国冻土工程研究在国际上的领先地位。 为研究青藏高原多年冻土，服务于青藏公路、青藏铁路工程，1 9 6 0 年中国科学院在 兰州成立了冰川1 积雪冻土研究机构，同年铁道部高原铁路科研所也在兰州成立，相关单 位研究人员于1 9 6 0 年1 9 6 2 年开展了青藏公路沿线的冻土考察，1 9 6 5 年青藏公路沿 线冻土考察论文集系统地总结了高原冻土的分布、温度状况、地下冰等特征，标志着 我国冻土研究进入新的阶段。1 9 7 3 年交通部成立青藏公路科研组，交通部第一公路勘察 7 第一章概述 设计院、中科院兰州冰川冻土研究所、长安大学等单位在此后针对青藏高原多年冻土地 区公路修筑技术进行了长达3 0 多年的不断研究，在工程界首次实现多年冻土区大面积 铺筑沥青路面并获得成功，依托青藏公路开展的多年冻土地区黑色路面修筑技术，先后 获得交通部科技进一步一等奖、国家科技进步一等奖。形成的高原多年冻土区路基修筑 技术也为2 1 世纪初青藏铁路的开工建设提供了宝贵的经验。为系统研究总结我国三十 年来公路冻土工程科研设计经验，2 0 0 2 年2 0 0 6 年交通部已在西部交通科技项目中组 织了重大科技攻关项目多年冻土地区公路修筑成套技术研究( 项目编号2 0 0 2 3 1 8 0 0 0 ) ， 该项目获得国家科技进步一等奖。 1 4 多年冻土地区特殊路基工程研究现状 冻土是温度敏感性岩土介质，除温度外，影响其稳定性的因素还包括岩性、含水量、 地热以及工程作用。这些因素中，只有工程的影响是人为因素，也是维持和调控地温的 主动因素。目前已有的工程措施，从对地温影响的方式角度出发，可以划分为被动措施 和主动措施两大类，前者主要指维持地温的原始状况或减缓冻土的退化；后者是积极主 动地改造冻土的热状况，使其向有利于工程稳定性的方向发展【4 3 1 。 1 4 1 被动工程措施 被动工程措施除填筑一定的路基高度以保护其下冻土不致退化外，主要包括以下一 些内容： 1 改变土体表面热辐射条件 如k o n t r a t j e v v g ( 1 9 9 6 ) 介绍的，将路基表面或边坡面涂刷白色油漆，或在路基边 坡处铺设白色碎石；修筑遮阳避雨棚；冬季清除路基表面及两侧的积雪，以保持路基土 体与大气间的辐射条件。 2 改变路基土体与大气及原冻土热传导状况 对基于这一原理的工程措施应用和研究较为深入广泛，其中研究最为广泛的是隔热 材料措旌。早在6 0 年代，美国就有将保温层用于保护多年冻土的专利提出。6 0 年代末， 在美国阿拉斯加k o t z e b u e 机场建设中，在路道填土中采用了聚苯乙烯保温层；7 0 年代 初，加拿大在多年冻土区砾石公路上进行了保温层试验研究；俄罗斯在修建贝阿铁路时， 在部分区段道碴下及边坡上使用了泡沫板材料。上述工程研究表明，隔热垫层的工程效 果较好。 k 安人学硕l j 学位论文 上述被动工程措施的出发点在于克服或延缓由于冻土退化造成的路基破坏，在长期 的冻土退化背景下，路基仍然可能会出现延缓到来的病害。在青藏铁路格拉段建设期间 和同期进行的青藏公路整治改建工程中，x p s 板、e p s 板等隔热层路基、遮阳棚( 板) 路基、冻土路基边坡生态防护等都进行了实体试验应用研究。 1 4 2 主动工程措施 主动地温调控措施主要包括调控传导和调控对流的方法。已有的方法包括通风( 管) 路基、碎( 片) 石路基及热棒路基： 1 通风( 管) 路基 通风基础曾被广泛应用于房屋建筑，对于通风路基的研究，1 9 7 4 年美国曾在阿拉斯 加的费尔班克斯( f a i r b a n k s ) 西4 0 k m 的公路上进行过现场试验，试验场冻土为富冰粘 土，试验选用了内径2 0 - - 5 0 c m 的金属波纹管。通风管道小坡度倾斜并平行公路埋放于 坡脚附近，沿纵向一定间隔设置竖向管，以发挥“烟囱效应”，促进空气的流动。研究中 对热流以及管道的热影响范围进行了解析分析，并对管体的最佳位置进行数值模拟分 析，结果认为应用通风管路基具备可行性。 2 片( 块) 石路基 其原理是应用片( 块) 石堆砌体冬季蓄冷夏季隔热的效能，曾应用于贝加阿铁路 级融沉性富冰地区和永久冻土地区；美国在阿拉斯加公路路基上也进行了试验。 3 热棒路基 热棒是利用汽液两相转换，通过对流循环换热来实现热量传输的装置。早在1 9 6 3 年，美国的l o n g e l 就曾介绍将热棒应用于保护冻土地基稳定性的方法，之后就得到 了较为广泛的应用。 以上三种特殊路基在2 0 0 2 年青藏铁路格拉段建设期间和同期进行的青藏公路整治 改建工程中进行了实体试验工程应用研究。 此外，同期还进行了碎石路基、碎石坡面应用研究。文献 5 8 1 还介绍了西伯利亚多年 冻土区采用土工格网中充填砂砾修筑路基的有关情况。 1 5 已有研究成果总结 1 冻土研究以俄罗斯( 前苏联) 为代表，以西伯利亚冻土研究为基础开展的冻土 学研究对冻土工程研究具有极大的推动作用。 第一章概述 2 冻土工程研究，以前，国际上以西伯利亚和北美地区( 美国阿拉斯加和加拿大 北部) 较为深入，其研究背景为地区开发和二战军事目的，研究工程对象主要为铁路、 石油开采与管道，以及军事用途的机场建设，房屋、水坝建筑也涉及到冻土工程研究。 现阶段，我国研究则更广泛更深入。 3 多年冻土区公路修筑技术研究国际上开展得较早和较多的地区是美国阿拉斯加， 其借鉴其它工程经验，在公路路基稳定措施上开展了隔热板、碎石、热棒路基方面的研 究，取得了丰富的成果。 4 俄罗斯及北美地区多年冻土主要受纬度控制，冻土温度低，人为活动较少，冻 土环境人为干扰少，冻土比较稳定。公路修筑以砂石路面为主，以合理路基高度通过冻 土区，对保护冻土有利。 5 我国青藏高原高海拔冻土与西伯利亚、北美冻土有很大区别。我国高原冻土温 度高，太阳辐射强烈，昼夜温差大，在全球气候变暖背景下，冻土退化响应明显加快， 冻土环境不稳定，极易受工程等人为因素破坏。 6 我国高原多年冻土公路修筑技术研究以青藏公路为代表，多年冻土区黑色路面 修筑技术世界领先，对冻土区公路路基稳定性研究开展得比较深入广泛。青藏公路运营 期路基病害不断发生、发展，主要病害以路基融沉变形开裂为主。以提高路基填土高度 来保护冻土的方法在低温冻土区是可行的，而在高温冻土区因加大公路路基边坡受热 面，导致路基下冻土融化盘偏移，产生路基边坡纵向开裂；同时冻土随气温的上升而退 化，一方面冻土温度升高，另一方面冻土热稳定性降低。包括设置隔热层在内的被动保 护冻土措施不能适应客观情况，开展了主动冷却冻土地基的工程措施研究。 7 青藏铁路建设期在吸收借鉴青藏公路研究成果的基础上，开展了高原多年冻土 区铁路路基稳定性研究，试验工程包括通风管路基、抛石路基、遮阳篷路基等。青藏铁 路与公路要求不同，尤其是路基表面性质不同( 公路黑色路面吸热，铁路道碴调温) ， 因此铁路相关研究可作为本研究参考。 综上所述，我国多年冻土公路路基工程研究以青藏公路为代表，因其地理环境独特、 冻土环境脆弱、公路铺筑沥青路面引起路基下冻土加剧升温而具有不同于国外低温冻土 的特殊性。青藏公路黑色路面铺筑成功，同时也带来路基吸热并阻碍蒸发散热，在高温、 极高温多年冻土区公路路基路面病害较严重，路基纵向开裂、路基沉陷、边坡开裂滑塌、 路面波浪变形及纵横向裂缝都有所表现，冻土热稳定性恶化导致的路基热稳性下降，以 及伴随的各种变形破坏影响着路基长期稳定性。在路基稳定技术研究方面，以被动保温 长安人学硕f j 学位论文 为主的措施在一定时间内对局部冻土路段有一定作用，但总体效果不理想，路基变形持 续发展；积极的路基调控技术虽有探索并局部应用，但各种措施的作用机理及适应条件 有待进一步验证、研究总结，相关工程的施工质量控制有待完善。因此笔者认为在青藏 公路3 0 多年科研基础上，吸取本地区相关工程科研成果，开展多年冻土地区特殊路基 设计与施工技术研究对丰富完善我国冻土工程理论和经验，指导同类地区路基设计与施 工是十分及时和必要的。 1 6 本课题主要研究内容 1 6 1 主要研究内容 多年冻土地区公路路基的稳定性不仅取决于冻土本身( 冻土温度与含冰量) ，也取 决于外部温度变化和作用力。进入2 0 世纪9 0 年代以后，由于全球气候环境进入一个相 对湿润和气温转暖的时期，多年冻土加速退化。随着多年冻土区人为活动的加剧，公路 路基下冻土迅速退化，导致高温、高含冰量多年冻土区路基失稳。多年冻土地区路基稳 定性涉及冻土温度( 气候、地质地貌、地下热流等的综合反映) 、路基高度与结构型式 以及变形特征等多种因素，它是多年冻土区公路修筑技术的核心。 我国多年冻土地区公路路基设计技术研究在全球冻土工程界处于领先水平，以青藏 公路为代表的高原多年冻土地区公路工程技术研究，历时3 0 多年，取得了丰硕成果， 其宝贵经验己为其它工程所借鉴，在我国冻土研究领域占据重要地位。但也应当看到， 现阶段我国多年冻土地区公路普遍等级低( 二级以下) ，路况差，病害严重。受认识水 平和投资能力制约，对多年冻土地区公路病害的防治措施研究不充分，主要集中在冻土 路基高度、冻土地区公路路基工程设计技术等，不便于设计和施工具体应用，不适应国 家公路发展的客观需求。针对这种状况，本论文确定了以下主要研究内容： 1 多年冻土路基病害调查及机理分析 分析青藏公路多年冻土的分布特征及工程地质条件，根据公路路基失稳表现出的热 融沉陷与纵向裂缝调查观测资料，研究多年冻土路基病害特征；围绕病害特征，从多年 冻土路基温度场、沥青路面下路基温度场的变化、融化夹层与变形的关系等方面分析产 生路基病害的机理，为路基稳定性研究提供基础资料。 2 多年冻土地区一般路基结构设计技术研究 对路基设计原则和方法进行分析，研究路基设计中结构设计尺寸确定方法，给出相 关设计指导方案。 第一章概述 3 多年冻土地区公路路基特殊调控技术研究 对已有调控工程措施进行针对性分析研究，增加相关调控方案，给出设计要点和工 程适应性，提出相关工程措施的改进方案。 4 多年冻土地区特殊路基施工质量控制技术研究 重视施工方案设计和施工实践指导，加强施工质量过程控制。增强研究成果的应用 性和可操作性。为冻土区公路工程建设提指导。 1 6 2 技术路线 本论文研究所采用的技术路线为：搜集国内外相关资料一野外病害观测调查、分析 一室内试验一实体工程的试验研究一数值模拟一调研施工过程及项目管理一综合分析 一完成论文。具体技术路线为： 1 充分分析、研究国内外已有的试验研究成果和多年冻土地区气象资料、工程勘 察成果以及各项长期观测资料，在此基础上拟定实( 试) 试验工程设计方案； 2 根据青藏公路路基纵向裂缝与热融沉陷调查，选择典型路段进行重点观测，并 分析裂缝、沉陷量与相应路基的冻土温度、冻土类型、融化盘等相互关系； 3 依托特殊路基试验工程，研究各类工程措施的作用机理、调控效果，并完善特 殊冻土路基设计方法与设计参数； 4 利用已有研究成果和本次修筑的试验工程的各项观测资料进行分析研究，结合 计算机数学模拟分析计算，提出适合不同冻土条件的经济合理的治理设计技术； 5 通过对设计方案、旌工过程及项目管理调研、分析、整理，提出易于操作的设 计与施工技术指导，完成论文i 1 2 长安人学坝i j 学位论文 第二章多年冻土地区路基病害及其原因 2 1 多年冻土地区路基主要病害与特征 2 1 1 路基主要病害形式 多年冻土地区公路病害的现场调查、勘探与现场实体观测资料表明，多年冻土区的 路基变形是以沉降变形为主，冻土路基下多年冻土的融化使路基产生不均匀下沉，这类 热融沉陷变形占路基病害路段的8 0 以上。路基病害的主要表现形式为