（道路与铁道工程专业论文）XPS板在冻土路基工程中的应用研究.pdf

摘要 大兴安岭地区是我国多年冻土分布的主要地区之一，其铁路线从开始运营到现在， 便产生了各种不同的路基方面的病害，仅下沉和冻胀病害就占到运营里程的6 0 7 0 。 开展聚苯乙烯挤塑保温( x p s ) 板在多年冻土路基中的应用研究，这对多年冻土地区路 基的设计和施工具有重要意义，同时也对青藏线格拉( 格尔木一拉萨) 段的建设和运营 养护具有重要的指导意义。 本文以牙林( 牙克石一林海) 线为依托工程，对多年冻土路基的冻胀融沉特性进行 了综述分析，通过对地基土与路基填料的颗粒分析和冻融试验研究，提出采用保温板与 路基填料一起组成多年冻土的保温层，对提高冻土上限是十分必要的；通过温度传感器 定期观测，记录多年冻土上限的移动规律、保温材料附近的地温梯度和路基土体中温度 场的分布规律，采用沉降板、水准观测桩及磁环沉降仪测试路基及地基的冻融变形及下 沉规律，利用中子仪测试保温材料上下表面的水分变化，进而通过图表对比统计，研究 分析了x p s 板与e p s 板在压缩、保温隔热、防水隔渗、对路基变形影响等方面的工程性 能变化，最后对不同保温板在工程应用中采用的工程措施进行了探讨分析。研究表明x p s 板是一种技术上可行、经济上合理的高性能新型保温材料。 关键词：路基工程；冻土地区；保温材料：聚苯乙烯挤塑保温板 a bs t r a c t t h ed a x i n g a n l i n gr e g i o ni so n eo ft h em a j o rf r o z e ne a r t ha r e a sa l ly e a rl o n gi nc h i n a s i n c et h eo p e r a t i o no fr a i l w a y si nt h i sr e g i o n ，d i f f e r e n td e f e c t sh a v ea r i s e ni nt h ew o r k so f s u b g r a d e t a k et h es u b g r a d es e t t l e m e n ta n df r e e z i n ga n de x p a n s i o nf o re x a m p l e ，t h ed e f e c t s o c c u p y6 0 - 7 0 s o ，i ti sm e a n i n g f u lf o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o ni nt h em a n yy e a rf r o z e n a r e ab yc a r r y i n go u tar e s e a r c hi n t ot h ea p p l i c a t i o no fp o l y s t y r e n ee x t r u s i o ni n s u l a t i o nb o a r d s ( x p s ) i ti sa l s oh e l p f u lf o rt h ec o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c e o fg o l m u d l h a s as e c t i o no nt h e q i n g h a i t i b e tr a i l w a y i nt h ep r e s e n tw o r k ，t h ey a k e s h i - l i n h a ir m l w a yw a st a k e ni n t oa c c o u n tt oa n a l y z et h e c h a r a c t e r i s t i c so ff r e e z i n ga n de x p a n s i o ni nt h em a n y - y e a rf r o z e ns u b g r a d e t h eg r o u n db a s e e a r t ha n dt h ep a r t i c l e so ft h es u b g r a d ef i l l e r sa sw e l la st h ef r o z e na n dm e l t e dt e s t sw e r e i n v e s t i g a t e d i tw a sp r o p o s e dt h a ta ni n s u l a t i o nl a y e rc o n s i s t i n go fi n s u l a t i o nb o a r d sa n d s u b g r a d ef i l l e r sw a sn e c e s s a r yf o ri m p r o v i n gt h em a x i m u ml i m i to ft h ef r o z e ne a r t h a t e m p e r a t u r es e n s o rw a so b s e r v e dp e r i o d i c a l l yt or e c o r dt h em o v e m e n tr e g u l a t i o no ft h e m a x i m u mo ft h ef r o z e ne a r t h ，t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n to ft h eg r o u n dn e a tt h ei n s u l a t i o n m a t e r i a l ，a n dt h ed i s t r i b u t i o nl a wo ft h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti nt h ei n t e r i o ro ft h es u b g r a d e a s e t t l e m e n tb o a r d ，aw a t e rl e v e lp i l ei n d i c a t o r , a n dam a g n e t i cr i n gs e t t l e m e n tg a u g ew e r e e m p l o y e dt oi n v e s t i g a t et h e 丘o z e na n dm e l t e dd e f o r m a t i o nr e g u l a t i o no ft h es u b g r a d ea n dt h e g r o u n db a s e an e u t r o ng a u g ew a sa d o p t e dt om e a s u r et h em o i s t u r ec h a n g eo nt h eu pa n d d o w ns u r f a c eo ft h ei n s u l a t i o nm a t e r i a l s g r a p h sa n dt a b l e sw e r el i s t e dt oa n a l y z et h e v a r i a t i o n so ft h ep r o p e r t i e so fx p sa n dp o l y s t y r e n ef o a mi n s u l a t i o nb o a r d s ( e p s ) w h e nt h e y w e r eu s e di nc o m p r e s s i o n ，t h e r m a li n s u l a t i o n ，w a t e r p r o o f , i m p e r m e a b i l i t y , a n ds u b g r a d e d e f o r m a t i o n d i f f e r e n ti n s u l a t i o nb o a r d sw e r ec o m p a r e dw h e nt h e yw e r ea p p l i e di nt h e c o n s t r u c t i o n s t u d ys h o w st h a tx p s i san e wf e a s i b l ea n de c o n o m i c a li n s u l a t i o nm a t e r i a lo f h i g hp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：s u b g r a d ew o r k s ；f r o z e ne a r t ha r e a ；i n s u l a t i o nm a t e r i a l s ；p o l y s t y r e n ee x t r u s i o n i n s u l a t i o nb o a r d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 黼：良砀珥 夕年乡月乡日 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： 导师签名： 怒砌巧 趸姨 知一辟月日 6 严肌 长安大学硕士学位论文 1 1 研究的目的与意义 第1 章绪论 凡是温度在o c 或0 以下，且含冰的岩石和土，即使含冰率很少，均称为冻土。 根据冻结时间的长短，冻土可分为季节冻土、隔年冻土和多年冻土。冬季冻结而夏季全 部融化的土层称为季节冻土，冬季冻结而一、两年内不融化的土层称为隔年冻土。冻结 三年或三年以上的土层称为多年冻土【1 】。我国多年冻土面积约为2 1 5 万平方公里，主要 分布在我国东北大小兴安岭高纬度地区和西部高山青藏高原高海拔地区，约占全国陆地 面积的2 2 3 0 a t 2 。其中分布在青藏高原的冻土面积约占1 5 0 万平方公里；分布在大、小 兴安岭的多年冻土面积约3 8 万平方公里。东北地区铁路沿线的多年冻土，主要分布在 大兴安岭北部的牙林、嫩林、伊家和潮乌等线上。 大兴安岭多年冻土是高纬度古代冰川沉积残留物，位于欧亚大陆多年冻土的南缘部 分，分布在北纬4 6 度线以北的广大国土上，年平均气温由o 。c 降至5 以下，地表植被 覆盖茂密，因而多年冻土得以保存，冻土厚度5 - 5 0 m 不等，局部大于l o o m t 3 j 。 大兴安岭多年冻土除了受到纬度、年平均气温及海拔高度的影响外，随着近年来气 温上升，当地人们的生产活动频繁破坏地表及地表植被，森林大面积砍伐，特别是森林 火灾、洪灾等，加快了多年冻土的退化速度，导致铁路路基病害的迅速发育和发展。牙 林、嫩林、潮乌、伊家等线修建于5 0 。6 0 年代，以开发森林资源为目的，建设标准相对 较低( 表现在路基填土高度普遍较低，大多数在1 - 3 m 左右) ，对多年冻土区铁路筑路 技术缺乏研究，对冻土的性质认识不足( 表现在线路选择在宽阔平缓的山间冻土沼泽中 部，以低路堤通过，排水困难) ，所以，在线路运营初期即出现严重的病害，并延续至 现在，仅路基下沉和冻胀病害就占到运营里程的6 0 一7 0 。多年来，虽然经过不断的 整治，但是由于气候环境的变化，使得路基病害仍在不断发生，不仅给铁路运输安全带 来重大的危害，而且还影响运输成本【4 1 。 青藏高原多年冻土是高海拔的近代大陆性气候的产物，属中低纬度高原冻土类型， 冻土分布受海拔高度控制，年平均气温低( 3 c6 c ) ，年平均降水量小( 一般在3 0 0 m m 以内，有些地区小于l o o m m ) ，年平均蒸发量大( 一般大于1 6 0 0m m ，最大超过3 0 0 0 m m ) ， 地面干燥，植被稀少，多呈荒漠景观，筑路条件相对而言优于大兴安岭既有线铁路 5 1 。 在大兴安岭多年冻土地区既有铁路线上有针对性地选择典型工点，结合青藏铁路线 第1 章绪论 工程特点，研究多年冻土地区的筑路技术和运营养护经验，对青藏线格拉段的建设和运 营养护具有不可替代的意义。 1 2 国内外研究历史和现状 铁路的修建和运营对多年冻土地基将产生热变迁的影响。在多年冻土区修筑铁路工 程后，原有的地气热交换条件发生了变化，其结果通常是路基内的吸热量增加路基内 逐年的热积累使下伏土体温度升高、多年冻土融化，导致多年冻土上限下降，季节融化 层加厚，从而引起线路的下沉变形1 6 】。特别是遇到不良地质条件时，更是对路基工程造 成巨大的危害。为防止路基的冻害或将因修筑路基造成热平衡失调而产生的病害控制在 工程运营允许的范围之内，就必须采取一定的工程措施。根据地区特点，查明多年冻土 的特性，测取地温、气温及水文条件等资料，以此选择和确定防治多年冻土路基特殊病 害方案，其总原则，一是保护多年冻土；二是破坏多年冻土。保护多年冻土的原则是采 用具有保温隔热作用的措施，在消除引起病害原因的同时，而不引起多年冻土状况的改 变，或恢复破坏了的冻土状态来保证路基的安全；破坏多年冻土的原则是路基和建筑物 在正常使用过程中，允许冻土融化或控制融化范围、速度，而不产生不允许的变形和新 的病害，保证路基和结构物有一定的强度和稳定性。为了确保路基的稳定性，保护多年 冻土是最为普遍被采纳的设计原则，即采取各种措施尽量使得路基下伏多年冻土上限不 下降，保温法就是其中可能适用的一种i n 引。 多年冻土地区的保温层是保护多年冻土动态稳定的必要条件。冻土温度状态随地区 及存在条件的差异而发生变化。它主要取决于大气温度、海拔高度、地形、地质和水温 地质及植被等条件。人类活动，包括建筑物和环境条件的改变都可能直接影响所在地段 ( 地区) 的冻土温度状态。为了保持多年冻土处于冻结状态需要一定厚度的覆盖层，即 保温层。广义的保温层最直观的就是天然地层上限面以上的土层( 最大季节融化层) 。 它是该地太阳辐射与地表热量平衡的产物，保护了上限面以下多年冻土的动态稳定。对 于路基工程而言，保持其边坡、基底多年冻土处于冻结状态的一定厚度的覆盖层，均称 为保温层。该覆盖层可以是填筑土( 包括改性土) 岩、草皮、泥炭或工业材料以及它们 的组合；覆盖的型式可以是堆筑、换填、铺设或三者的组合。因此在原地面填筑路堤时 的下临界高度就是路堤的保温层厚度【9 1 1 】。瑞典是采用隔热法历史最悠久的国家，曾采 用树皮等作为道路的隔热材料，采用冰渍粘土覆盖以防止树皮酸化分解。按保护冻土原 则设计路基时，为了减少换填厚度，或为调节路基高度，或为增加路基边坡基底的热稳 2 长安大学硕士学位论文 定性储备，往往应用导热系数较低的轻质工业保温材料调节保温层厚度，例如聚苯乙烯 泡沫板( e p s ) 、聚氨酯泡沫板( p u ) 等。在路基内加铺一层保温材料，利用保温材料 的低热导性( 热阻) 阻止上部热量进入下部土层，从而起到保护多年冻土的目的。对于 路基工程，表面热交换条件的改变所引起的路基内的热积累会导致多年冻土上限的下 降，所以铺设保温板从而补偿这部分上限的下降，保持多年冻土上限稳定、甚至抬升上 限【1 2 , 1 3 】。 国外从6 0 年代就开始在道路工程中使用工业保温材料。在加拿大和美国北部地区， 近些年开始采用聚苯乙烯泡沫塑料作为工业与民用建筑的隔热材料。加拿大于1 9 7 2 年 在北部伊努维克公路工程中进行了聚苯乙烯泡沫板隔热层试验研究，在1 5 m 高的路堤 路面以下7 0 c m 处，埋设厚度分别为5 c m 、9 c m 、1 1 5 c m 三种板材，据观测有效地防止 了多年冻土融化。根据加拿大工程部门的经验，l c m 厚的泡沫塑料保温层相当于1 4 c m 厚填土的保温效果，6 c m 厚隔热层可使冻结深度降低5 0 以上。 1 9 8 5 年3 月，阿拉斯加西南部多年冻土区的n u n a p i t c h u k 机场开始施工，机场跑道 宽3 6 6 m ，长7 6 2 m 。在跑道填土中采用e p s 板作为隔热层，厚度1 5 c m ，埋深4 6 - - 一6 1 c m ， 1 9 8 5 年4 月建成后的观测资料证实，路堤中心多年冻土上限上升至隔热层下1 0 c m 处， 在暖季隔热层以下土体温度保持在负温范围内，隔热效果是明显的。 俄罗斯境内的贝阿干线7 7 5 k m 处有5 6 0 m 长的地段为厚度达3 0 m 的饱冰冻土和残 留冰所形成。按线路设计方案，应开挖1 0 m 深的路堑，于是在边坡和堑底用泡沫塑料 板和泥炭铺设热缓冲层，用亚粘土设置防渗帷幕和坡面铺石块覆盖层起增压和防侵蚀作 用。工程于1 9 8 4 年完工，竣工后4 年，路基的热平衡状态稳定，该段线路运营1 1 年后 未发现路基显著变形。在新建的阿穆尔一雅库茨克铁路冻土路基试验段也采用了泡沫塑 料板的保温隔热措施【1 和1 7 1 。 1 9 7 5 1 9 7 8 年的青藏高原风火山路基试验工程曾应用了六种工业保温材料设置于路 堑边坡、基底及低路基基底【1 8 】。青藏公路改建工程中，于1 9 9 2 年在青藏高原昆仑山地 区进行了聚苯乙烯泡沫塑料板隔热试验，试验段长2 k m ，选用板厚6 c m 铺设9 0 0 m 、8 c m 板铺7 0 0 m 、1 0 c m 板铺4 0 0 m ，隔热板埋设在路面以下6 0 c m 左右，经运营检验效果良好【3 】。 青藏铁路修建工程中，于2 0 0 1 年在青藏铁路格尔木至拉萨段高原多年冻土区试验工程 一清水河试验段与北麓河试验段中进行了聚苯乙烯泡沫( e p s ) 板、聚氨酯泡沫( p u ) 板的试验研究，经运营检验效果良好1 1 9 1 。 综上所述，e p s 板在国内外多年冻土区的道路、铁路及机场跑道等工程中已得到了 3 第1 章绪论 较为广泛的应用，其保温效果是比较明显的。 1 3 研究思路 在冻土地区工程中采用新型保温材料，是近年来世界各国都正在研究并十分重视的 一种工程保温措施。其中聚苯乙烯泡沫板( e p s 板) 在国内外多年冻土区工程中的应用 较为广泛，但对于各项性能指标优于聚苯乙烯泡沫( e p s ) 板的聚苯乙烯挤塑保温( x p s ) 板的应用研究相对还比较少。本文主要依据既有铁路牙林( 牙克石一林海) 线病害整治的 试点工程情况，研究聚苯乙烯挤塑( x p s ) 板在高纬度多年冻土区的适用性，评价验证 工程效果等。总的研究和试验方法为：收集和分析国内外已有研究资料，室内试验测试 及分析、现场工程试验测试，以及理论综合分析等。 本文研究的关键是： ( 1 ) 聚苯乙烯挤塑( x p s ) 板的效果评价； ( 2 ) 聚苯乙烯挤塑( s ) 板的压缩变形与强度的关系等。提出不同保温材料的 埋设位置及厚度组合效果及不同保温材料的工程直接费用； ( 3 ) 研究聚苯乙烯挤塑( x p s ) 板的施工工艺及其质量检测方法。 1 4 主要研究内容 本文主要依据既有铁路牙林线病害整治试点工程，通过对聚苯乙烯挤塑( x p s ) 板 与聚苯乙烯泡沫( e p s ) 板在冻土地区的对比性试验，研究保温材料的可靠性、实用性和 施工工艺，进一步确定其施工经验和施工参数。具体研究内容如下： ( 1 ) 研究不同保温板厚度、铺设位置及铺设方法( 1 层和2 层) 对保温效果的影 响分析； ( 2 ) 路堤地温场观测，保温板的作用效果评价； ( 3 ) 多年冻土上限变化的状况分析； ( 4 ) 路堤、地基沿深度方向的沉降变形特征分析； ( 5 ) 不同保温板的保温性能及效果的对比分析研究。 4 长安大学硕士学位论文 第2 章多年冻土路基保温法处理的理论分析 2 1 保温法保护多年冻土的原理及其影响因素 2 1 1 保温法保护多年冻土的原理 保温法就是在路基内加铺一层保温材料，利用保温材料的低热导性( 热阻) 阻止上 部热量进入下部土层，从而起到保护多年冻土作用的一种方法。为了说明保温层的作用， 我们从地温剖面在有保温层和无保温层时的对比变化来加以阐述。在土层上部以一年为 周期的近似正弦波动的温度边界条件控制下，下部土层的温度也呈现出随深度振幅逐渐 减小、相位逐渐滞后的周期性波动变化；因此多年冻土的地温剖面表现为界于各土层深 度最高和最低温度形成的包络线之间的动态变化曲线。最高温度包络线等于冻结温度 ( 通常为0 ) 处的深度即为多年冻土上限位置。图2 1 为多年冻土地温剖面示意图， 在没有安置保温层时，最高、最低温度包络线通常呈较为光滑的连续曲线( 图中粗线) ， 当安置保温层后，如果上部温度条件保持不变，根据热传导原理，由于保温材料导热系 数与土体导热系数的巨大差异( 约4 0 倍) 将会导致保温层上下部形成很大温差( 热阻 效应) ，由此决定了保温层下部土体温度的年振幅的降低，即最高温度、最低温度包络 线之间的范围缩减( 图中细线) 。在这种情况下，最 高温度包络线与深度轴相交于相对较高的深度，即 多年冻土的上限位置被抬高。这就是保温层保护多 年冻土的基本原理。基于这种原理，保温层下的最 高温度包络线始终处于无保温层时的最高温度包络 线的内侧，即有保温层时多年冻土的上限总是高于 无保温层时多年冻土的上限。 另一方面，对于道路与铁路工程，表面热交换 条件的改变所引起的路基内的热积累会导致多年冻 土上限的下降和冻土年平均地温的升高。在多年冻 土地区路堤中设置保温层可以增大路堤热阻，减少 传入冻土路基中热量，延缓多年冻土年平均地温的 上升。其保温效果取决于隔热层对下部多年冻土年 5 图2 1 保温层保护多年冻土原理示意图 第2 章多年冻土路基理论分析及保温处理 平均地温和地温年变幅的改变状况。当铺设保温层后，则有可能补偿这部分上限下降， 保持多年冻土上限稳定、甚至抬高。保温材料的导热系数越小，其效果应该越佳。 保温材料下部地温年变幅的减小是保温处理措施保护多年冻土上限下降的主要效 果。青藏公路昆仑山越岭地段保温处理试验路段路基、路肩及天然地表下的地温观测资 料证实，保温处理措施并不能改变因修筑路基而引起的路基吸热趋势，但是保温处理后 浅层地温下降；地温年变幅明显减小，多年冻土上限比无保温处理路段高。青藏铁路北 麓河试验段保温处理试验路段半年的观测资料表明，保温层上下面温度存在巨大差异， 充分体现了保温材料的热阻效应，可望大幅度减小保温材料下部地温的年变幅，起到保 护或延缓多年冻土融化的效果。 2 1 2 影响保温层效果的因素 ( 1 ) 冻土热状况 保温层之所以可抬升多年冻土的上限是因为它的热阻效应所致，这种热阻效应在阻 止上部热量向下传输的同时也阻止了冷季多年冻土向外部的散热。它可以改变进入多年 冻土的热周转量，但是不能改变进出多年冻土热量平衡的趋势。修筑道路后路基内通常 呈热积累发展趋势，因此保温层的效果也只是减弱热积累的发展，延缓多年冻土的升温， 而不能扭转这种热积累的趋势。对于低温冻土，保温层或许可以维持多年冻土上限在使 用期限内的稳定性，而对于高温冻土，热积累几乎完全用于多年冻土的融化，即使是少 量的热积累也可能使多年冻土发生逐年的融化，因此高温冻土区保温层可能只起减缓多 年冻土融化速率的作用。图2 2 是根据气温年升温率0 0 2 年计算得到的有、无保温层 时融化深度的预测发展趋势。由图可 见，尽管铺设保温层后冻土的融化深 度远小于无保温层时的融化深度，但 是在升温背景下，即使铺设了保温层， 融化深度依旧会逐年加深，其加深速 率甚至比无保温层的情形更快。 ( 2 ) 保温层的埋设深度 从保温层的工作原理看，埋设越浅 效果应该越好，因为离地表越近，温 * v 倒 嚣 鼍 锺 o 时间( 年) 1 0 2 03 0 图2 2 有、无保温层冻土融化趋势比较 度梯度越高，保温层的热阻效应就越强。然而，考虑到保温材料不同于普通的工程材料， 6 o 5 o 5 o 5 2 2 3 3 4 4 长安火学硕士学位论文 埋设保温材料后，它会对道路的行车产生影响，显然，埋设越深，对行车的影响越小。 由此存在保温层合理埋深的问题。一般的考虑是根据路面下的应力扩散原理计算保温材 料的容许承载力，在满足受力条件下尽量浅埋保温层。另外，当路基较高时，由于侧面 换热的影响，埋设过高也可能使得侧面热交换成为主要的热驱动力，从而使保温层的作 用大打折扣。 ( 3 ) 保温层的厚度 毫无疑问，保温层越厚， 效果越好，但是工程造价也越 高，保温层对道路运营的影响 也会越大。保温层效果的增加 程度并不是随其厚度的增加 呈线性增加的，根据昆仑山路 段的气候条件所计算的融化 _ 、 桨 、一 越 聪 鼍 遥 深度与保温层厚度的关系如0 图2 3 所示。当保温层厚度较 小时，保温层厚度增加，融化 深度的减小程度较大，当保温 2468 保温层厚度( 厘米) 1 0 图2 3 保温层厚度与融化深度的关系( 计算值) 层厚度较大时，增加保温层厚度对融化深度的减小程度相对变弱了。结合造价考虑，一 般选取l o c m 以内的保温层厚度可能比较适宜 2 0 , 2 1 l 。 2 2 多年冻土路基冻胀融沉特性 在我国青藏高原、大小兴安岭及西部高山区广泛分布着多年冻土。这些地区的地表 层都存在着一层冬冻夏融的冻结一融化层。作为多年冻土地基的冻结融化层( 季节融化 层) ，在其冻融过程中土体性质的变化直接影响着上部建筑物的稳定性。随着大气温度 下降，在地气热交换过程中，使土体温度达到土中水结晶点时，此冻结一融化层便产 生冻结。伴随土中孔隙水和外界水源补给水结晶而形成多晶体、透镜体、冰夹层等形式 的冰侵入体，引起土体体积增大，导致地表不均匀地上升。这就是人们所称的冻胀现象。 夏季，冻结后的土体产生融化，伴随着土体中冰侵入体的消融，出现融沉，同时使土体 处于饱和及过饱和状态而引起地基承载力降低。 土的冻结一融化作用可给国民经济造成巨大的损失，不仅建筑物使用年限缩短，运 7 5 o 5 0 5 l 2 2 3 3 第2 章多年冻土路基理论分析及保温处理 行条件变坏，而且增加许多非生产性劳动、材料及投资去进行维修。对于路基工程来说， 经常遇到的工程问题是冬季路基冻胀，引起路基变形、开裂；暖季冻土融化，造成路基 下沉。土体冻胀必须具备下列几个条件，( 1 ) 具有冻胀敏感性的土；( 2 ) 初始水分及外 界水分的供给；( 3 ) 适宜的冻结条件和时间。这三个条件缺一不可。当人们采取一定措 施去削弱其中一个条件便可抑制冻胀，达到防冻害的目的。土体冻胀过程基本经历如下 几个阶段，首先土中液相水形成结晶中心，然后冰晶体逐渐增长，冰透镜体形成，最终 导致了冻胀及冻胀压力的产生。土体冻胀的强弱主要取决于土体粒度组成、矿物成份、 土中水分及补给来源、冻结条件、外荷作用以及交换性盐基等因素阎。 2 2 1 冻胀性 2 2 1 1 基本概念 常采用冻胀量与该冻结土层厚度之比值作为土体冻胀变形的特征值，也即冻胀率 r l ( 或称冻胀强度、冻胀系数) ，以百分数计。 ，7 。盟1 0 0 ( 2 1 ) h 式中：h - 冻结土体厚度，m m ； h 一冻胀增量值，m m 。 按各类土的冻胀变形强弱分为以下几个等级：( 1 ) 非冻胀性土，r i 1 ；( 2 ) 弱 冻胀性土，1 r i 3 ；( 3 ) 冻胀性土，3 6 。 2 2 1 2 基本规律 土体的冻胀与土体含水量关系密切。试验与工程实践表明，并非所有含水的土体 冻结时都会产生冻胀，只有当土中的含水量超过一定界限值( 起始冻胀含水量) 之后才 会产生冻胀。起始冻胀含水量( w o ) 与土体塑限含水量( w p ) 之间存在如下关系， = o w p ( 2 2 ) 式中：口一当干容重为1 5 1 6 9 e r a 3 时，q 可取0 8 。 按实际工程的观测，r l 1 时，对建筑物稳定性不会产生明显的影响，以此作为 界限的土体含水量，称之为安全冻胀含水量( ) ： k = 驯p + 4 ( 2 - 3 ) 在封闭体系中，干容重为1 5 - 1 6 9 c m 3 的条件下，当土体含水量达到起始冻胀含 水量之后，细颗粒土的冻胀系数则随含水量增加而增大，最终趋于一个稳定数值。冻胀 8 长安大学硕士学位论文 系数与有效冻胀水分( 心- w o ) 之间有一定的拟合关系，大致可用下列经验公式表示： ，7 = k ( 一) 口 ( 2 4 ) 式中：k 、a _ 试验系数。 粗颗粒土冻胀性与含水量关系也很明显，土体的冻胀系数随着土体饱和度( s r ) 增 大而增加。当s r yd 。时，曲线服从如t 2 次曲线方程式： a 。；k ，学 ) ，d ( 2 1 1 ) 式中：墨一与土质有关的试验系数： 儿一冻土天然干容重，g c m 3 ； 儿。起始融化下沉干容重，咖m 3 ，亦称最佳干容重，即4 = 0 时之干容重。 由试验得出的k ，、y d o 值列于表2 3 中。 表2 3 、y d o 实测值 土质砾石土细砂、粉砂粉质亚粘土粉质粘土 重粘土 l ( 32 5 3 0 3 5 4 03 0 yd o ( g e m 3 )1 9 51 8 01 7 01 7 51 6 5 当儿 yd 。时( 即对v 类冻土) ，曲线不再服从式( 2 1 1 ) 。仍以风火山粉质亚粘土 为例，它近似服从如下直线方程式： 4 一i ( 4 ( ) ，出一，d ) + “ 式中：疋一试验系数，通常可取6 0 ； 一对应于w = 雌之冻土干容重( 咖m 3 ) 。 1 2 ( 2 1 2 ) 长安大学硕士学位论文 依据试验过程中测定的大量土物理资料，并参考关系式yd = yw 石1 + 1 0 9 w ( 这里， 一水的容重，g 一土颗粒比重) ，参考值如表2 4 所示。a 。同前。 表2 4 ) ，出值 土质砾石土细砂、粉砂粉质粘土粉质粘土重粘土 ) ，出( 咖n 3 ) 1 1 51 0 91 0 51 0 41 0 0 ( 3 ) 4 与颗粒成分的关系 这里仅就粗颗粒土中粉粘粒含量对4 的影响作一简要说明。4 与颗粒成分的关系 曲线在粉粘粒含量大约为1 2 时出现了转折点，当粉粘粒含量 1 2 时，以则随粉粘粒含量的增加明显地增加【2 3 ，一- 。 2 3 冻土路基保温处理 2 3 1 冻土路基的保温设计原则 铁路的修建和运营对多年冻土地基将产生热变迁的重要作用，常由于人为活动而 破坏自然条件的热平衡状态，导致多年冻土上限下降，季节融化层加厚，出现融化下沉。 特别是遇到不良地质条件时，更是对路基工程造成巨大的危害。 目前国内外对多年冻土地区路基工程也基本按“保持冻结 和“允许融化的原 则进行设计。“保持冻结”原则主要是指换填保温材料，这种方法适用于含冰量较大的 多年冻土稳定地带；“允许融化原则主要是指局部融化或限制融化深度的方法，这种 方法一般适用于含冰量较小或局部含冰量较大的不稳定的多年冻土地带。 大量的研究和工程实践证明，遵从保护冻土的原则应尽量避免“零 填、浅挖， 并在此前提下，根据多年冻土不同特性，确定相应的路基合理高度f 2 3 1 。合适的路堤高度 可使多年冻土上限上升( 不论是上升到地表还是上升到堤身) ，这有利于路堤的稳定性。 根据一些已建路堤的钻探结果表明，过低的路堤会引起天然上限下降。因此，对多年冻 土地区的路基工程，确定适宜的路堤高度是直接关系到路堤的经济与安全的重要问题。 多年冻土地区路堤中多年冻土上限的变化取决于路堤高度、填土性质、施工季节 及地表排水等多种因素。铁三院冻土队根据东北大兴安岭地区铁路路堤上限变化规律的 1 3 第2 章多年冻土路基理论分析及保温处理 调查和试验，对于大片连续多年冻土建议路堤最小高度为1 5 m ，对于岛状多年冻土建议 路堤最小高度为2 0 m 。交通部第一公路设计院和中国科学院兰州冰川冻土研究所根据青 藏公路多年冻土地区沥青路面多年冻土上限变化的研究，在对大量实测资料分析统计的 基础上提出如下确定路堤临界高度的公式： h o = 2 4 - 0 5 5 h , ( 2 - 1 3 ) 式中：吃一多年冻土的天然上限，m 。 多年冻土地区路堤断面型式，除考虑一般地区对路堤断面要求( 如稳定、通车) 外， 还应考虑多年冻土地区路堤的一些特点。当路堤较高时，为增加路堤的稳定性，在设计 中应适当增加边坡平台或放缓边坡。在东北大兴安岭多年冻土地区还广泛采用保温护道 的型式，增加保温性能，提高和扩大人为上限，其材料多采用草皮、草炭层等。 目前，以隔热阻热为主的被动保护冻土措施有：在路基中设置工业隔热板、路基边 坡设置遮阳板、路基上设置遮阳隔雨棚等；以主动调温冷却路基为主的主动保护冻土措 施有：在路基中设置通风管、路基及边坡设置碎( 块) 石、路基侧设置热棒以及设置旱 桥跨越冻土等。采用这些措施均可有效地解决路基高度问题，特别是对冻土环境工程人 为侵扰有积极的缓解作用【2 4 1 。其中在冻土路基中设置工业隔热板一聚苯乙烯挤塑( x p s ) 板是本文的研究重点。 2 3 2 冻土路基中保温板的介绍 国内外冻土工程研究不断取得进展，冻土处理的新方法、新技术、新材料也在不 断涌现，在冻土路基内加铺聚苯乙烯泡沫( e p s ) 板、聚氨酯泡沫( p u ) 板、聚苯乙烯挤 塑( x p s ) 板等新型保温材料已被广泛地得到了应用。 聚苯乙烯泡沫( e p s ) 板又名泡沫板，是由含有挥发性液体发泡剂的可发性聚苯乙烯 珠粒，经加热预发后在模具中加热成型的白色物体。 聚苯乙烯挤塑( x p s ) 板是以聚苯乙烯树脂或其共聚物为主要成份，添加少量添加 剂，通过加热挤塑而制成的具有闭孔结构的硬质泡沫材料。 聚氨酯泡沫( p u ) 板是以两种组分的聚氨酯为主要成份，添加少量添加剂，通过 在模具中注射成型制成的具有闭孔结构的硬质泡沫材料。 聚苯乙烯挤塑( s ) 板与其它两种保温板比较，其结构的闭孔率达到了9 9 以上， 导热系数为0 0 2 8 w m k 。因此在吸水性、导热性及蒸汽渗透性等方面均低于其它类型 1 4 长安大学硕士学位论文 的板状保温材料；x p s 板由于发泡结构紧密相连且壁间无缝隙，所以其抗压强度极高， 即使长时间在水中浸泡仍维持不变；一般的硬质发泡保温材料使用几年后易产生老化， 随之导致吸水造成性能下降，而挤塑板因具有优异的防腐蚀、防老化性、保温性，即使 在高水蒸汽压力下，仍能保持其优异性能，使用寿命可达到3 0 4 0 年；挤塑板不会发生 分解和霉变，不会有有害物质挥发，化学性质稳定。同时在生产过程中，利用环保型原 料，不产生有害气体，没有废水产生，所形成的固体下脚料，可回收处理再利用，是高 品质的环保型产品。 因此聚苯乙烯挤塑( x p s ) 板具有密度小、导热系数低、抗压强度高、不吸水、不 透气、耐腐蚀、不降解等特点，可广泛应用于墙体保温，平面混凝土屋顶及钢结构屋顶 的保温，低温储藏地面、泊车平台、机场跑道、高速公路、铁路等领域的防潮保温，控 制地面冻胀。 2 3 3 冻土路基中保温板的应用 聚苯乙烯泡沫塑料在我国已有2 0 多年的生产历史，它的英文全称是：e x p a n d a b l e p o l y s t y r e n e ，简称e p s ，是发泡聚苯乙烯的英文缩写。 e p s 广泛用作包装材料，例如，电视机、电冰箱、洗衣机等家用电器的包装都是 用e p s 制作的。e p s 为轻质半硬性多孔材料，由无数封闭的小孔组成，含空气9 7 以上， 具有导热系数小、抗压强度较高、冷库、管道系统等绝热工程中也得到了较为广泛的应 用。 随着科学技术的发展和研究成果的推广，e p s 开始在道路和机场跑道工程中得到 了应用。 1 9 6 9 年7 月，美国的k o t z e b u e 机场开始建设。该机场位于阿拉斯加多年冻土区， 在跑道填土中采用了e p s 板材作为隔热层，共铺设3 1 7 2 1 m 2 ，隔热层厚1 0c m ，埋深约 2 3 伽。观察表明，非隔热层段融化深度已达3 m ，而隔热层段融化深度在1 6 5 2 0r r l 之 间，即减小融化深度1 0 1 3 5m ，在跑道工程中隔热层段无明显的冻胀和热融下沉，1 0 锄的隔热层起到了很好的隔热作用。 1 9 7 2 年加拿大国家研究委员会在伊努维克和n w t 机场之间的砾石路面公路上 进行了e p s 板隔热层试验研究，试验路位于伊努维克以东约2 0 k m ，共铺设3 段，e p s 隔热层厚度分别为5 c m 、9 c m 、1 1 5 c m ，隔热层埋深约7 0 c m ，路基高1 5 m 。在隔热层 铺设后的6 年中，5c m 隔热层路段路中心有热融变形( 小于设计允许变形值) ，9 c m 和 1 5 第2 章 多年冻土路基理论分析及保温处理 1 1 5