（地质工程专业论文）青藏公路多年冻土路基病害防治技术研究.pdf

摘要 多年冻土地区的公路病害一直是制约当地经济快速发展的瓶颈，青藏公路是 1 0 9 国道主干线的重要组成部分，通往北京的“金桥”，对西藏的经济发展、政 治稳定、国防安全具有举足轻重的地位，对青藏公路严重的路基病害及其影响因 素进行系统研究，具有重要意义。本文通过对青减公路多年冻土段的调查后认为， 路基病害主要是纵向裂缝和不均匀变形；通过全线普查和典型路段详细勘查，论 文对这两种病害的特征及分布规律进行了研究。为了防治这些病害，力争从根本 上杜绝其再次发生，本文研究了多年冻土地区路基的设计原则、特殊路段整治措 施，对已有病害，则提出了相应的处置对策，并提出了施工中应注意的问题。 关键词：青藏公路多年冻土路基病害路况调查 a b s t r a c t t h e h i g h w a y d i s t r e s si so n eo ff a c t o r s p r e v e n t i n g t h el o c a l e c o n o m i c a l d e v e l o p m e n ti np e r m a f r o s tr e g i o n s t h eq i n 曲a i t i b e th i g h w a yi st h em a i nl a i nt o a n df r o mt i b e t p r o v i n c e ，w h i c h i so f i m p o r t a n c e f o rt i b e ti ni t s e c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，p o l i t i c a ls t a b i l i t ya n d n a t i o n a ld e f e n s e s a f e t y , a n di ti sc a l l e da st h eg o l d b r i b g eb e t w e e nb e i j i n ga n dt i b e t s oi t i sn e c e s s a r yt h a tt h es u b g r a d ed i s t r e s s e so f t h eq i n g h a i t i b e th i g h w a ya r es t u d i e d t h i s p a p e r , t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o no ft h e s u b g r a d ed i s t r e s s e s ，i n t r o d u c e st h el o n g i t u d i n a lc r a c ka n dn o n u n i f o r md i s t o r t i o ni s t h em a i nd i s t r e s s e s ，a n ds t u d i e st h e i rc h a r a c t e r sa n d d i s t r i b u t i n gr e g u l a r i t i e s i no r d e r t o p r e v e n ta n dc u r et h ed i s t r e s s e s f i o m a p p e a r i n g ，t h ep a p e rs t u d i e st h ed e s i g n p r i n c i p l e o ft h e s u b g r a d e ，p r e v e n t i n g m e t h o d so ft h ed i s t r e s sf o rt h e s p e c i a l s u b g r a d ea n d t h e r e p a i r i n gm e t h o d so f t h ed i s t r e s sf o rt h ed e s t r o y e ds u b g r a d e ，a n d b r i n g f o r w a r dt h em a t t e rw h i c hs h o u l db en o t i c e di nc o n s t r u c t i o n k e y w o r d ：t h e q i n g h a i t i b e th i g h w a y , p e r m a f r o s t ，s u b g r a d e ，d i s t r e s s i n v e s t i g a t i o n o fd i s t r e s s 原创性声明 y 。7 3 1 1 3 5 7 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，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，均已明确注明出处。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，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蛩幽蕴 日期： 竺芝堕。垒： 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、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；本人授权兰州大学可以将本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 人离校后发表、使用学位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兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：受旦之虚导师签名：圈冬 鲜一曰期：生啤 兰州太掌磺士掌位论文 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论 青藏公路北起青海省格尔木南至西藏拉萨，路线走向北东南西方向( 北纬2 6 。5 2 3 6 。3 27 ，东经7 8 。2 47 9 9 。0 6 7 ) ，全长1 1 4 9 k m ，即国道1 0 9 线k 2 7 3 9 k 3 8 8 8 。担负着8 5 以上的进出藏物资的货运量和9 0 的进出藏客运量的运输任务，是保 障西藏= 百多万各民族人民生活、生产和国防安全的一条重要生命线。在青藏铁路建设 期间，青藏公路的安全畅通是满足青藏铁路6 年施工的顺利进行的前提。 青藏公路于1 9 5 4 年1 2 月2 4 日建成通车，1 9 5 6 年4 月进行第一次改建工程，7 0 年 代中期开始第二次改建工程，1 9 7 4 年底，国务院决定将青藏公路拉萨一格尔木段按二 级公路标准改建并铺设沥青路面。该工程历时1 2 年之久，至1 9 8 5 年8 月底竣工并通过 验收，概算总额为7 7 亿元，9 0 年代初进行了较大规模的第一期整治工程，1 9 9 1 年8 月正式开工，1 9 9 5 年基本完成，1 9 9 6 年g 月竣工交验，历时4 年多，总投资为8 5 5 亿 元。第二期整治工程于1 9 9 6 年末动工，1 9 9 9 年竣工，历时3 年，总投资5 亿元。第三 期整治工程于2 0 0 2 年5 月开工，2 0 0 4 年竣工总投资为1 1 7 亿元。至此国家共投资5 8 8 4 亿元进行青藏公路的整治和改建及保养。 在全球气候变暖的大的背景下，由于对多年冻土的认识不够，以及在该地区建路的 经验不足，虽采取了一系列的措施，但仍没有彻底解决多年冻土地区公路的病害问题， 使国家产生巨大经济损失。对冻土地区公路病害的研究不仅对青藏公路本身有重大意 义，对青藏铁路的建设及其建成后可能存在的问题的研究也有重要的参考价值。 1 1 1 青藏公路建设历史 青藏公路自1 9 5 4 年建成通车，至今已近半个世纪，其间经过多次改建整治，使其 从最初一条季节性通车的简易公路发展成为现在的二级公路。 1 9 5 4 年1 9 7 3 年为建设时期，1 9 5 4 年粗通，1 9 5 5 年按四级公路测设，1 9 5 7 年基 本建成。公路建设的任务以保通为主并进行局部改造提高。此期间路线标准较低，路基 基本顺地爬，面层为砂石路面。以后的工作主要是养护并进行局部线形调整和修建桥梁、 兰州大掌磺士学位论文 涵洞等永久性构造物。 1 9 7 4 年1 9 8 5 年为全面改建阶段，除个别地段外，改建后均达n - - - 级公路标准， 即所谓“八五改建”或“黑色化”，是青藏公路建设史上的重要阶段。在此期间主要工 作是路线调整，路基加宽和铺筑沥青路面。经过改建，青藏公路成为世界上海拔最高的 铺有沥青面层的公路，大大提高了青藏公路的通行能力和使用性能。但也引发了新的问 题，首先，由于在高度很低的路基上铺设沥青面层，路面吸热能力加大，路基路面散热 能力减小，造成路基下多年冻土上限连年下降，结果是路基产生不均匀沉降，路面波浪 起伏。其次，沥青面层在高原强烈的紫外线照射下，极易老化，使用年限和质量明显降 低。针对出现的问题，从1 9 7 9 年起进行了专题研究和工程地质勘探工作，取得了一定 成果。 1 9 9 1 年1 9 9 6 年，期攘治阶段。针对“八五改建”带来的各种道路病害，特别 是路基不均匀沉降，路面波浪起伏，进行重点整治。本期整治的工程措施主要是加高路 基，加强纵向排水和侧向保护，路面结构采用沥青混凝土面层与半刚性基层，以及对工 程隔热材料和钢纤维混凝士路面的使用进行了试验。经过整治，病害得到一定程度的控 制，但未能达到预期效果。 1 9 9 6 年1 9 9 9 年，二期整治阶段。此阶段整治范围是一期整治后所剩余的病害路 段，整治原则及措施与一期整治基本相似，其整治效果仍存在不少问题。 2 0 0 2 年2 0 0 4 年，三期整治阶段。提高路面和桥涵的承载能力，确保公路路基不 出现大的变形破坏，从而巩固多数路段路基稳定的建设成果，提高公路整体的安全通行 能力，并改善行车条件。 1 1 2 青藏公路多年冻土特征 全球多年冻土的分布面积约占陆地面积的2 3 ，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国 和美国的阿拉斯加等地，其中我国的多年冻土分布面积约占世界多年冻土分布面积的 1 0 ，占我国国土面积的2 1 5 ，是世界上第三大冻土大国，同时我国的多年冻土主要 分布在东北和中、低纬度的青藏高原。 多年冻土具有区别于一般土类的特殊的公路工程性质，其特殊性主要表现在他的性 质与温度密切相关。常规土类性质主要受颗粒的矿物、组构、密度和含水量控制，多半 表现为静态特征【l l 。多年冻土的性质除受上述因素控制以外，同时它的性质随温度和时 兰州大掌硕士学位惦文 间都在变化，表现为动态特征。多年冻土又可以分为连续多年冻土，岛状多年冻土等。 随着全球气候的逐渐变暖和人类活动加强，多年冻土上限呈现出下降的趋势，多年冻土 也在不断退化，对路基路面的稳定也造成了极大的威胁。 一般情况下，多年冻土地区气候条件恶劣，变化反复无常。全年气候负温期长，昼 夜温差变化大。太阳辐射强烈，路基阴阳坡温度差异明显。恶劣的自然条件和复杂的地 质状况，导致这些地区病害繁多，路况极差，养护费用逐年上升，行驶安全受到了极大 的挑战。路况调套表明，路基病害包括路基纵向裂缝、不均匀沉降、波浪、扭曲、反拱、 边坡水毁等。 这些病害不仅规模巨大、数量繁多、而且发展迅速、难以养护，导致路面行驶质量 每况愈下，运输效益常年偏低。多年冻土主要分布在我国的西部地区，随着我国经济的 快速发展和西部大开发的逐渐深入，这些地区的公路病害已成为制约西部地区公路建设 和经济发展中的瓶颈。常规的以小修保养的养护方法，只是治标不治本，并不能确保这 一地区的道路畅通。 复杂恶劣的自然条件和多年冻土环境给公路建设和养护带来许多困难，路基不均匀 沉降、纵向开裂、冻胀、翻浆等各种病害，严重影响了公路正常运营。虽然经改建或整 治但未得到根治。 因此，急需对青藏公路多年冻土段路基病害的特征、分布规律和成因进行系统研究， 同时对各地的冻土上限等冻土条件变化动态准确把握，以便根据各地不同的冻土条件分 别提出合理的防治对策，杜绝各种病害的发生，保证公路的正常运营。 1 2 国内外研究概况 世界各国的冻土地区路基工程都是结合冻土学的研究进行的。在北美，第二次世界 大战以前主要进行了一些与道路工程相关的季节冻土研究和在地质勘探过程中附带进 行了多年冻土的研究。第二次世界大战中，美国军事部门在亚北极地区的建设遇到了困 难，于是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( c r r e l ) ，专 门从事北极战争条件、房屋建筑、道路工程等研究。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。1 9 7 5 年1 9 9 7 年在对多年冻土和冻土环 境保持问题认真研究的基础上，修成了贯穿阿拉斯加南北长达1 2 8 0 k m 的石油管线。在 兰州大掌硕士掌位论文 加拿大，除国家建筑研究所以外，还有能源矿产资源部，运输部等进行冻土工程研究。 前苏联在1 9 世纪6 0 年代后，随着西伯利亚的开发，铁道的建筑，开始对冻土进行 广泛的研究。在1 9 0 4 1 9 1 4 年间修建的阿穆尔铁路常因冻融影响而损坏每年要耗费 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 于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，对冻土学研究有很大的借鉴作用。 多年冻土地区修筑道路一直被视为世界性难题。与工业建筑、机场等建筑相比，道 路是一线型构造物，对地基不能像其他建筑物那样进行局部处理。从2 0 世纪6 0 年代到 9 0 年代末为保证多年冻土地区路基稳定性，世界各国对多种措施进行了探索，浅色路 面( 1 9 6 3 ) 、聚苯乙烯或聚氯乙烯隔离层( 1 9 6 9 ) 、泥炭土垫层( 1 9 7 3 ) 、横向护坡道( 1 9 7 4 ) 、 通风管( 1 9 7 4 ) 、预融( 1 9 8 0 ) 、冬季施工( 1 9 8 3 ) 、地表覆盖层( 1 9 8 4 ) 、斜热虹吸管( 1 9 8 6 ) 、 土工织物加筋( 1 9 8 5 ) 、轻质回填材料、桥基础( 1 9 9 2 ) 及通风路堤( 1 9 9 5 ) 等。对道 路路面和机场道面的研究已是经久不衰，对多年冻土地区碎石路面、沥青路面、及水泥 混凝土路面进行了结构、材料及工艺研究。结合工程研究，各国冻土研究机构对冻土物 理学等基础性问题进行了大量的理论分析、室内试验与野外测试等研究，取得了不少成 果。 我国1 9 4 9 年首先开始对东北的冻土研究，地质、水利部门对水利工程、房屋、建 筑等方面作了不少研究工作。在道路方面为了防治北方地区道路翻浆，交通部门进行了 冻土研究。1 9 5 4 年青藏公路通车后也引起了各方关注。此外铁道、管线、采矿、煤炭 等部门也因工程需要进行了相应的研究。国外关于多年冻土地区公路工程方面详尽而全 面的资料很少，大多都是结合建筑基础、管道工程等进行相关研究。虽然多年冻土地区 占我国面积很大一部分，但由于该地区经济相对落后，道路的发展也受到了相应的抑制。 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。近些年来由于经济发展的需要， 多年冻土地区道路工程的研究在许多有着广阔多年冻土地区的国家都在以较快的速度 发展。各国在保护冻土、合理路基高度，路基下融化盘的水热状况、温度场、水分迁移 等方面围绕冻土路基的热稳定性进行研究。 结合交通部的青藏公路改建工程，国内有关单位，从路基结构出发进行了加高路基、 钢纤维砼路面、热桩路基、隔热路基等相关试验，取得了一些工程经验，为解决路基变 4 兰州大掌硕士学位论文 形问题作了一些尝试，并由此提出了冻土地区路基设计的临界高度。隔热路堤的基本原 理是增大沥青路面与下伏土基之间的热阻，达到减小热量向下传导。热桩路基是通过热 循环桩来达到散热的目的。钢纤维砼路面是希望通过“白面”来减少对太阳辐射的吸收。 通风块石路基其目的在于增加蒸发和导入大气冷源。目前通过对青藏公路钻探证实了融 化夹层的存在，说明对路基两侧水下渗与路基下自由水运动而导致的水热问题不容忽 视，有的学者认为这甚至超过了“黑面”对路基的影响。中科院兰州冰川冻土研究所通 过多年冻土地区的地质勘探，对多年冻土的分布、冻土形成机理、冻融土的水热传输、 冻土强度与蠕变等方面作了较深入的研究，为公路路基工程研究提供了大量基础认识。 但由于多年冻土地区修建公路是世界性难题，一定时期、特定条件不可能从根本上 解决问题，随着公路交通运输及科学技术发展，气候变迁、人为活动等影响，旧问题尚 未解决，而新问题又不断暴露。青藏公路虽经改建及一、二期整治，但路基沉降、波浪、 扭曲、纵向裂缝，路面反射裂缝、反拱等仍然频繁发生，产生的负面效应逐渐暴露，影 响青藏公路运输效益。 1 3 本文主要研究内容 本文通过对青藏公路多年冻土段进行的考察，对青藏公路多年冻土段的路基及其病 害进行研究，指出原因并提出整治意见。具体如下： 1 、对路基构成及沿线各种影响因素进行研究； 2 、对路基病害进行统计分析； 3 、对影响路基病害的两个主要因素多年冻土上限和路基下水位进行专项研究； 4 、对病害整治方法进行研究； 5 、提出病害的综合整治建议。 兰州大掌硕士学位论文 第二章青藏公路路基调查 2 1 青藏公路沿线自然概况 2 。1 1 地理环境 青藏高原是我国面积最大的多年冻土区，也是世界上海拔最高，面积最大的高原， 海拔大多在4 0 0 0 m 以上，它是一个独特的中低纬度的高寒环境，号称地球第三极。它 跨越的经纬度为北纬2 0 。5 27 3 6 。3 2 ，东经7 8 。2 4 9 9 。0 67 ，从第三纪末至 第四纪以来，高原强烈隆起，其腹部海拔达4 5 0 0 m 以上，在此过程中高原自然环境的历 史演变除受到全球性的冰期间冰期气候的影响外，由于海拔高度的剧增而产生的巨 大变化起了主导作用。青藏高原的自然地理环境有历史的继承性和发育的差异性，从东 南到西北依次是亚热带森林温带森林寒冷灌丛草甸寒冷草原寒冷荒 漠；高原沟谷深切，内部河流侵蚀减小，湖泊消退，水系从外流变为内流；冰川、冻土 发育，寒冷风化和干旱化过程进一步增强，砂化过程则愈向西北愈呈强化。1 青藏高原多年冻土区属高准平原，除昆仑山北坡较陡外，区内山脉多波状起伏，低 岭宽谷，有“山高坡缓，河多永浅”之说。山问高平原地区，开阔平坦，一般表土层厚 0 2 o 5 m ，为粗粒砂类土、其下多为砂土，砾石和砂砾、卵石互层。这里发育有厚层 地下冰，还有较多的热融沉陷以及融沉湖塘。山岳丘陵地区，是地下冰、热融滑塌、冰 丘、准堆和沼泽化湿地等不良地质现象最发育的地方。这里的第四纪地层，如残积、坡 积及融冻泥流堆积物等均较厚，一般在山坡下部，粘性士及砂性土层厚达数米至数十米， 下部多为坡积碎石、砾石土层。在昆仑山与唐古拉山山区，有冰水堆积物分布，并有埋 藏冰存在。在个别沟谷，山口和山前平原地带，还有风沙活动。 青藏公路北起格尔木( k 2 7 3 9 、海拔2 8 0 0 m ) ，经昆仑山脉北部的西大潍( k 2 8 6 7 、 海拔5 2 3 0 m ) ，下经安多( k 3 4 0 4 、海拔4 6 0 0 m ) ，那曲( k 3 5 6 6 、海拔4 4 0 0 m ) ，当雄( k 3 7 3 0 、 海拔4 0 0 0 m ) ，终点拉萨( k 3 8 8 8 、海拔3 8 0 0 m ) 。翻越昆仑山e l ( 海拔4 7 0 0 m ) ，可可西 里山( 海拔4 7 0 0 m ) ，风火山( 海拔4 8 0 0 m ) ，唐古拉山口( 海拔5 2 3 0 m ) ，申格里贡山( 海 拔4 6 8 0 m ) 。跨越楚玛尔河、北麓河、通天河、桑曲河。 兰州大掌硕士掌位论文 2 1 2 气候特征 青藏高原为高寒气候区，气温低、空气稀薄、大气干洁、太阳辐射异常强烈。青藏 公路沿线的多年平均最低气温为1 4 5 一1 7 4 0 ，平均最高气温为一6 8 8 i 。c ，年温 度较差为2 3 2 6 ，年平均气温为一4 0 一6 9 。 青藏高原的年平均气温，南北高中间低，是由于地势作用的影响。在青藏公路沿线 上，年平均0 等温线大致是北为纳赤台，南为那曲北部。昆仑山口、风火山及唐古拉 山的年平均气温低于一6 。c ，等值线在高原上闭合而向西突出。冻结指数的最大值，大于 3 0 0 0 。c 日，其等值线呈现出围绕昆仑山、风火山和唐古拉山而增大的环状的分布，年 温度较差与纬度有关，由南向北逐渐增加，到格尔木达到最大，为2 8 。c 。温度日变化 升温降温迅速，冬季尤其明显。冻土区的冻结期长达七个月以上，只有暖季与寒季之分。 青藏高原的年降水量从拉萨5 0 0 r a m 左右，沿青藏公路向北逐渐减少，到格尔木的年 降水量减小为3 0 r a m 以下。公路沿线的降水多在唐古拉山以南地带。降水的季节分配不 均匀，5 9 月雨量非常集中，一般占全年的总降水量的9 0 左右，降雪多集中在唐古拉 山以南地区，在北部高原地带的降雪量极少。多年平均积雪深度小于l c m 。降水日变化 明显，夜雨率达5 0 6 0 。降水多为雪、阵雨及固态降水。雪、冰雹等在四季都可出 现。 青藏高原大气透明度高、云量少，日照时数较长，一般为2 6 0 0 3 0 0 0 小时年，全 年各月都为全国之冠，高原的总辐射量达1 5 0 1 7 0 千卡e m 2 年。其分布为南部和西部 多，向东向北减少。由于高原风大，每年潜热通量占辐射平衡的6 0 8 0 ，潜水感通量 占2 0 3 0 ，这两项消耗了绝大部分的地表热量。 2 1 3 地质构造特点 青藏高原上的构造体系可分为径向和纬向。纬向构造组成了青藏高原的基本格架。 晚更新世以来，青藏高原晚近构造活动强烈，导致高原大面积隆起并伴随差异性升降， 控制着一系列的山地以及断陷盆地和谷地的形成与发育。造成了当今青藏高原地貌景 观。构成青藏公路沿线的昆仑山、可可西里山、风火山、开心岭、唐古拉山、桃二久山 及申格里贡山等山地和西大滩、布曲河、温泉、捷布曲河等断陷谷地以及楚玛尔河、北 麓河、乌丽河、沱沱河、通天河以及扎布藏河等断陷盆地。而且，在高原隆升的同时由 7 兰州大学硕士学位论文 于第四纪冰川作用及其他外营力作用，青藏公路沿线第四纪沉积物的类型和分布规律呈 复杂性，主要类型有坡积物、洪积物、冲积物、湖相沉积物、风积物、冰水沉积物等。 2 2 青藏高原多年冻土的基本概况 2 2 1 多年冻土的分布 青藏公路沿线多年冻土属高海拔低纬度冻土，具有明显的垂直分带性。冻土温度、 厚度、埋藏深度受高度控制。海拔越高，冻土温度越低，厚度越大，埋藏( 冻土上限) 越浅。此外多年冻土的分布还受纬度、地表水系、构造运动的控制，人类工程活动对多 年冻土变化的影响更为明显。各种因素的交互影响使得路基下多年冻土的性态与周围天 然地面下的冻土有很大区别。 从k 2 8 7 9 至k 3 5 1 2 为多年冻土分布区，根据冻土平面分布特征其间依次分为：不 连续岛状多年冻土和大片连续多年冻土。不同区段的多年冻土厚度、上限深度、冻土温 度和稳定性有明显区别，其冻土工程地质特点和对工程的影响也各不相同。 ( 1 ) 岛状多年冻土 青藏公路北段k 2 8 7 9 k 2 8 8 6 ，南段k 3 4 1 4 k 3 5 1 2 为岛状多年冻土分布区。为季 节性冻土与多年冻土的过渡带，岛状多年冻土的分布不连续、不规则，且在不断退化， 性质极不稳定。平面上多年冻土呈岛状被融区分隔，多年冻土厚度较小，冻土温度较高， 一般高于1 o ，冻土埋藏较深，特别在路基下冻土上限一般大于1 0 i n ，且仍在不断加 深，加之改建和整治时路线尽可能的绕开了冻土岛。故此，岛状多年冻土带多年冻土对 公路工程的影响不大，此带可按季节冻土考虑。 ( 2 ) 片状多年冻土 从k 2 8 8 6 至k 3 4 1 4 为大面积片状多年冻土分布区。受地理纬度、地形、地表河流 和地壳运动、地热活动等因素影响，片状多年冻土区内在汾河湖地带又间隔地分布着一 些融区。即使在冻土分布区内，受上述因素和人为因素影响，多年冻土的温度、埋深、 冻土类型及稳定性也有很大不同且表现出明显的分带性特征。 地理纬度对冻土分布的影响表现在两个方面：其一，多年冻土分布的起始海拔高度 不同，北低南高。北端( k 2 8 7 6 ) 海拔约4 3 8 0 m ，南端( k 3 5 1 2 ) 海拔约4 6 1 0 m 。其二， 冻土连续性、上限深度、地温和稳定性不同。北区连续片状分布，冻土上限埋深较小， 8 兰州大学砸士a a e _ 位论文 冻土温度较低，相对较稳定，在全球气候条件和工程活动影响下，缓慢退化，此区范围 大约从昆仑山南坡至雅玛尔河。自雅玛尔河向南，多年冻土除高山垭口段外一般连续性 较差，上限埋藏较深，路基下上限深度常大于6 7 m ，甚至钻探经常未见冻土。冻土呈 现明显退化性。 海拔高程对多年冻土分布的控制作用明显，随着海拔高度的增加，冻土厚度增大， 上限埋深减小，冻土温度降低。故此在唐古拉山、昆仑山、风火由、桃二久山等高山垭 口段均分布有稳定的多年冻土，路基下多年冻土也较稳定。 因河流及湖泊等地表水体影响，在片状多年冻土区内分布着一系列的融区。对冻土 融区形成与分布影响较大的河流有：楚玛尔河、秀水河、雅玛尔河、沱沱河、通天河、 布曲河与捷布曲河，在这些河流的河谷及两岸一定范围内形成贯穿性融区。特别是青藏 公路与布曲河、捷布曲河走向相同，约8 0 k i n 路段沿布曲河岸、约4 0 k m 沿着捷布曲河 岸展开。因此在这些区段内的路基下已无多年冻土或多年冻土埋藏很深，基本上对公路 已无明显影响。 地壳运动造成片状多年冻土分布区内出现地热异常融区在温泉断陷盆地( 公路里程 k 3 2 1 0 k 3 2 7 0 ) 表现十分典型。在此盆地内受地质构造的影响，地下热能沿断层带上 升，造成地表温度增高且局部温泉出露，地表常年无明显积雪，地下基本无多年冻土分 布。 青藏高原冻土的平面分布比较复杂，冻土的发育是由高原所具有的垂直地带规律决 定的。冻土区南北纬度长达8 度，高原内部冻土下界的分布具有水平地带规律。p j 青藏公路沿线冻土厚度随海拔的升高而增大，平均每升高l o o m ，大致增加2 0 m 左 右，最大厚度在一百多米以上，见表2 一l 。季节融化深度随纬度和海拔的升高而减小， 季节冻结深度则随海拔升高而增加，一般细粒土最大融深为o 8 2 5 m ，基岩为3 5 m ， 草皮发育区为0 3 0 8 m 。阴阳坡向不同，造成了对太阳辐射热量吸收的不同，因此， 阳坡季节冻结较小，融化深度较大，阴坡则相反，差值为0 1 1 o m 之间。 ( 3 ) 多年冻土类型及分布 综上所述，青藏公路多年冻土以其稳定性划分，有以下三种分布类型及相对应区间： 高山稳定带。主要有昆仑山( k 2 8 8 6 k 2 9 1 0 ) 、可可西里山、风火山( k 3 0 5 5 k 3 1 0 0 ) 、唐古拉山至桃二久山( k 3 3 1 2 k 3 3 8 5 ) 等高海拔区段，每段长约十余公里或 数十公里。多年冻土温度较低，埋藏较浅且上限深度无明显下降。 兰州大掌硕士掌位论文 表2 - 1青藏公路沿线各构造带多年冻土厚度、地温及季节融化深度 地名西大滩盆地昆仑山区楚玛尔河盆地可可西里山区北麓河盆地风火山区 多年冻 0 2 0 m6 0 1 2 0 mo 4 0 m3 0 1 0 0 m0 h 4 0 m5 0 1 2 0 m 土厚度 多年冻 0 一0 5 - 1 5 一3 5 o 一1 2 0 5 一1 8 o 一1 0 1 5 一4 0 土地温 季节融 2 8 3 5 m1 5 28 m2 o 3 5 m1 5 3 5 m2 0 3 0 m 0 8 2 5 m 化深度 地名乌丽盆地沱沱河盆地开心岭山区通天河盆地布曲河谷地 温泉谷地 多年冻 土厚度 5 4 0 m0 5 0 m2 0 6 0 m0 2 5 m0 - - 4 0 m 0 - - 5 0 m 多年冻 o 一1 0 o 一1 0 ，0 5 一1 5 o 一0 5 0 - 1 o 0 5 一1 0 土地温 季节融 2 5 3 0 m2 5 3 5 m1 5 2 5 m2 o 3 0 m1 5 2 5 m2 5 3 0 m 化深度 扎加藏布河 地名唐古拉山区桃二久山区捷布曲河谷地安多盆地 两道河谷地 盆地 多年冻 2 0 1 3 0 m3 0 5 0 m3 0 6 0 m3 0 5 0 m0 4 0 m0 8 0 m 土厚度 多年冻 1 ，o 一4 5 0 5 一1 0 1 0 一1 5 o 一1 0 0 3 一1 0 0 6 一1 7 土地温 季节融 化深度 1 8 3 0 m1 5 3 5 m1 5 3 5 m2 o 3 0 m2 5 3 5 m1 8 2 5 m 北部较稳定带。北起昆仑山南坡( k 2 9 1 0 ) ，南至北麓河( k 3 0 5 5 ) ，以及开心岭 ( k 3 1 6 5 k 3 1 9 5 ) 。此带位于高原北部，气温较低，气候干燥降雨少，地表河流、湖泊 少，原地面下多年冻土上限埋藏较浅，路基下广泛分布多年冻土。但人为上限明显下降。 退化与融区。此类包括两部分，一部分为北部岛状多年冻土，另一部分为北起雅 玛尔河( k 3 1 0 0 ) ，南至k 3 5 1 5 之间，除开心岭( k 3 1 6 5 k 3 1 9 5 ) 和唐古拉至桃二久 ( k 3 3 1 2 k 3 3 8 5 ) 以外的广大地区。此区段位于冻土分布的南段，受纬度影响，气温 较高，降水量增加，区内河流较密，加之部分地段地热异常，因此区段内公路沿线多年 冻土呈断续分布，退化明显，极不稳定。此类冻土温度较高，一般在0 1 o 。上限 埋藏较深，原地面下常大于3 l ，路基下钻探常不能揭露。 2 2 2 多年冻土的地温状况 年平均地温作为冻土主要特征之一，是评价多年冻土的稳定性和多年冻土发育程度 的重要特征指标。分类主要根据年平均气温、年平均地温及多年冻土对气候变化的稳定 1 0 兰州大掌硕士掌位论文 性，将多年冻土分为三个带；上带可分为极稳定带、稳定带；中带可分为基本稳定带和 基本稳定过渡带；下带可分为不稳定带和极不稳定带，如表2 2 所示。依据此分带标准 对青藏公路沿线多午冻土进行分带。分带结果表明，西大滩断陷谷地，属于不稳定带， 年平均地温为一0 5 一1 o 。c ；昆仑山区、风火山区、唐古拉山和可可西里、开心岭、桃 二久等山区属于基本稳定带和过渡稳定带，年平均地温为一1 0 一3 o 。c ，局部极高山区 属于极稳定带，地温更低；楚玛尔河、北麓河、沱沱河、布曲河和捷布曲河等断陷盆地 和谷地属于不稳定带，年平均地温为一0 5 一1 5 。c “1 。 表2 - 2多年冻土地温带分布带 年平均地温多年冻土厚度带界处的年平均 带名 分布地带 ( )( m )气温( ) 极稳定带 1 5 0 高山地带 上罐5 带稳定带一5 o 一3 o1 0 0 1 5 0 中高山地带 _ 6 5 基本稳定带 。3 0 一1 56 0 1 0 0 低山及沼泽的泥炭中 中 5 5 带 基本稳定过 1 5 一0 54 0 6 0 渡带 一3 5 高平原及低山丘陵地带 下 不稳定带 o 5 0 52 0 4 0 带2 5 极不稳定带 0 5o 2 0 河谷及岛状冻土地带 青藏高原多年冻土温度也受到了海拔、坡向、地质构造、岩层、地下水等因素的影 响与制约。冻土温度一般变化在o 5 一3 5 之间。冻土的温度在其他条件相同的情况 下，每升高l o o m ，年平均地温下降0 6 1 o 。c 。自南向北每推进1 5 0 k i n ，平均温度下 降o 5 l t0 左右。其规律与厚度呈相反趋势。在青藏高原腹部地带，年变化层内的平 均地温梯度在o 0 5 o 0 6 m 左右。多年冻土区边缘地带年均地湿梯度在o 0 3 o 0 4 m 左右，同时呈现退化趋势。在一些融区边缘地带，由于地下热流的强烈作用，特 别是冻结层上水和冻结层下水的作用，年变化深度内的地温一般为正。地温变化的稳定 性易受气温波动和人为活动的影响，它是评价多年冻土稳定性和发育程度的特征指标。 兰州大掌硬士学位论文 2 2 3 多年冻土融区 更新世以来高原不断隆升，各构造体系的复合部位及断裂活动处常有温泉、热泉、 喷气泉等，形成构造融区。一些河流及湖泊位于构造线上，致使各流域有较高的地热背 景，形成河流融区、湖泊融区，加上人类的工程经济活动，形成生活居住区附近的融区。 主要有青藏公路k 3 2 8 8 k 3 3 1 0 处、k 3 3 9 2 k 3 3 9 4 处、k 3 4 0 0 k 3 4 0 2 、k 2 9 1 5 不冻泉处 等。具体分布情况见表2 3 。 表2 - 3青藏公路融区 融区类型构造融区河流湖泊融区渗透辐射融区 k 3 2 8 8 k 3 3 1 0 主要分布 k 3 3 9 2 k 3 3 9 4 楚玛尔河、北麓河、沱沱 k 3 4 0 0 k 3 4 0 2河、通天河、布曲河等河 历史影响区、人类活动居住 地区区、工程影响区 k 2 9 1 5 、k 3 0 9 2流地区及一些湖泊底下 k 3 3 1 2 太阳辐射与大气降水或历史 成因构造地热引起水的热蚀作用 洪水作用、人为破坏了热平衡 2 3 全线路基概况 2 3 1 路基高度、断面、边坡和排水设施 青藏公路全线长达一千多公里，通过的地形地质条件比较复杂，1 9 5 4 年通车以来， 经历了改建工程、一期整治和二期整治工程，为了对其路基基本结构有进一步的了解， 先后两次对青藏公路全线路基作了调查，得到一些基本认识。 青藏公路路基主要为填方路堤，路基高度在o 5 m 3 o m 左右，其中改建工程路基 较低，大多依原砂石路面而行，填土由推土机从公路两侧推土而成，这一做法导致后来 路基两侧积水严重，植被不易恢复的后果。青藏高原地势平缓，展线条件良好，路基的 填筑一般不存在因纵坡需要的大填大挖。从一期整治开始，以保护路基下多年冻土为目 的进行加高路基，路基加高高度大多由经验公式计算，一般在原路面上除去沥青砼面层 后填土加高。开始采用集中取土的填筑方式。其中各种病害由于各种原因在一些地段大 量出现，针对这一情况，为改善运输条件，开始了二期整治。现在部分地段路基填筑体 己高达4 5 m ( 多集中于唐北地段) 。路基宽度在8 m 左右，两侧边坡一般较陡，部分 1 2 兰州大学硕士掌位论文 地段有保温护道。路基大部分地段以自然地形排水为主，沿地面纵向坡排水，部分地段 有排水沟，但浆砌片石类冻胀破坏明显，有少数地方采用草皮边沟，效果尚好。路基边 坡一般较陡，从外形上看比较松散，雨水后冲刷比较多。 2 3 2 路基填料 青藏公路路基填料来自公路两侧取土坑，沿线岩士从粗粒到细粒松散土类均有，分 布较丰富。从中选取了调查路段，在路基两侧取样，并进行了筛分。筛分结构见表2 - 4 。 由分析结果可知：路基填料为粗粒砂类土。【3 】 表2 - 4路基填料筛分表 序 路段桩号 各孔径的分计留筛重量( 克) 号总质量6 0 r a m2 0 m m3 r a m2 m m0 5 m m0 2 5 m m0 0 7 4 m m存盘 1k 2 8 7 6 + 9 0 03 0 0 001 9 58 2 45 7 85 4 63 7 84 1 66 3 2 ( 2 9 0 1 + 0 0 02 9 9 0o2 6 68 6 l6 3 85 6 03 7 52 8 74 3 3k 3 0 0 5 + 0 0 03 0 0 02 5 91 2 8 65 8 72 0 91 6 11 4 82 2 11 2 9 4k 3 1 8 1 + 0 0 03 0 0 0o1 1 04 0 74 1 75 5 36 3 78 5 02 6 5k 3 3 0 7 + 0 0 03 0 0 007 0 25 2 13 3 32 0 42 5 79 0 67 1 6k 3 0 6 2 + 0 0 02 9 9 91 9 41 1 6 86 7 82 1 52 0 62 4 82 2 98 7 7k 3 0 0 5 + 0 0 03 0 0 006 5 9 5 4 52 8 73 3 63 5 27 5 86 3 8k 3 2 6 3 + 8 0 03 0 0 0 o5 3 16 9 33 0 36 9 42 5 43 8 01 4 5 9k 3 1 9 0 + 4 5 03 0 0 006 11 0 9 l8 8 54 4 52 0 6 2 6 74 5 1 0k 3 3 4 3 + 1 4 03 0 0 002 2 85 1 87 2 65 4 03 8 0 5 4 16 7 l lk 3 3 7 3 + 0 0 03 0 0 0 03 91 8 02 2 96 0 02 2 71 6 8 93 6 1 2k 3 3 9 7 + 0 0 03 0 0 0o5 1 07 l l3 2 06 4 7 1 0 44 1 81 5 0 1 3k 3 4 0 5 + 0 0 03 0 0 001 1 69 8 41 0 7 53 7 2 1 4 2 7 85 4 1 4k 3 4 2 0 + 0 0 03 0 0 0 04 8 24 1 66 4 26 7 23 1 64 5 06 3 1 5k 3 4 5 7 + 0 0 03 0 0 008 81 5 44 0 3 5 0 71 1 1 46 7 91 0 2 1 6k 3 5 9 5 + 0 0 03 0 0 0o5 5 06 4 5 2 1 84 0 53 2 55 8 7 -9 7 2 3 3 路基下天然地面的质调查 根据前后两次对青藏公路的钻探，对路基下天然地面的土质组成进行调查，有以下 一般规律。 路基填料多为砂砾土，砾石粒径一般为o 5 2 0 c m ，有的在5 c m 以上，潮湿，含 有些粘土成分，因为是人工填筑所以比较均匀。 天然地面表层土多为含砾砂土，自然形成，含水量高。 兰州大掌项士学位论文 下层一般为含砾粉砂，砾石含量较少，一般为5 左右，呈饱水状态。 第三层多为含粘土碎石，愈往下碎石含量增加，有的达7 0 8 0 。再往下往往 含有大漂砾。 天然土层中的颗粒组成主要是由于历史时期的地质作用形成的，也与多次冻融作用 下的热筛效应造成粗颗粒下沉、细颗粒上浮这一趋势有关。 2 3 4 路基下多年冻土的上限 青藏公路沥青路面修建后，加大了路基的吸热量，其水热耦合作用造成路基下多年 冻土上限的升降。据资料1 4 】，在路基刚修完一、二年，高路堤人为上限有些上升，低路 堤略为下降，运营若干年后，沥青路面下多年冻土上限一直持续下降( 而且随路基高度 的变化而变化) ，西大滩和申格里贡山地段岛状多年冻土区冻土上限下降最大，楚玛尔 河、北麓河、沱沱河、通天河等盆地高温冻土区次之，可可西里、开心岭等低山丘陵地 带较小，昆仑山、风火山、唐古拉山等低温冻土区极小或基本没有下降。根据表2 5 可 知年平均地温对冻土上限有很大的影响。 表2 - 5青藏公路沿线天然和黑色沥青路面下多年冻土上限变化f 4 j 年平均地天然地面下多沥青路面下多年冻土上限( m )冻土工 地段 温( )年冻土上限( m )1 9 8 0 篮1 9 9 0 年变化范围程类型 西大滩 0 2 0 52 8 4 06 6 1 0 0s ，d 昆仑山1 5 - - - 2 61 5 2 8 3 0 54 2 03 o 5 2 h b ，f 楚玛尔河 0 0 - - 一1 02 o 3 53 5 54 0 03 8 9 1 h ，b ，f 可可西里 0 5 一1 81 5 4 92 9 43 6 02 9 5 5h b 北麓河 0 o 一1 02 o 3 03 5 6 ，0 h ，b ，f 风火山 1 5 一3 0o 8 2 92 8 43 4 04 o 6 7 h ，b 乌丽0 o 一1 02 5 3 84 0 6 0h ，b ，f 沱沱河l o 2 一0 5 2 5 3 54 0 6 0h b 开心岭 05 一1 51 5 2 94 5 6 0h b 通天河0 o - 0 5 2 o 3 04 5 6 0 h ，b ，f 布曲河 0 0 一1 01 5 2 54 o 9 0 h ，b ，d 温泉0 5 一1 02 5 3 03 5 6 0h ，f ，d 唐古拉山 1 0 - 4 0i 8 3 02 1 53 0 032 4 5h b 扎布藏布河 _ 0 5 一1 01 5 3 04 5 5 0h b 桃二久河0 o 一1 02 o 3 5 2 7 43 8 04 0 7 0h b 1 4 兰e l l 大掌磺士掌位论文 2 3 5 路基含水量与地表水分布特点 根据对青藏公路的路基含水量的调查，有如下认识【5 】： 地下水埋藏一般较浅，在路基下2 4 m 内都有出现。 路基整体含水量很高，堤体内部比较潮湿。暖季开挖边坡可以明显看到潮湿土 体。 毛细水上升较高，一般可达地下水位以上o 5 1 o m ，估计暖季为吸热蒸发力的 作用，在冷季为冻胀后的真空吸力。 路基总含水量在暖季自上而