香花D標(biāo)項(xiàng)目多年凍土路基設(shè)計(jì)方案及處理措施.doc

飛的我的 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 香花D標(biāo)項(xiàng)目多年凍土路基 設(shè)計(jì)方案及處理措施 摘 要冰凍三尺，非一日之寒。厚百米甚至數(shù)百米的凍土常經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期。我國(guó)多年凍土面積約215萬平方千里，約占國(guó)土面積的15，位居世界凍土第三位。號(hào)稱“世界屋脊”的青藏高原，是世界上低緯度海拔最高、面積最大的多年凍土區(qū)。多年凍土面積約150萬平方公里，與高緯度多年凍土相比，高原多年凍土具有溫度高、厚度薄和敏感性強(qiáng)等特點(diǎn)。凍土沉陷問題是凍土地區(qū)公路建設(shè)的一大病害，“高原多年凍土的溫度和厚度受到海拔的嚴(yán)格控制：海拔越高，溫度越低，厚度越大。海拔每升高100米，年平均氣溫降低0.50.6，多年凍土厚度增加1520米。青藏高原實(shí)測(cè)到得多年凍土厚度為125.6米，低溫-3.2。關(guān)鍵詞：多年凍土、措施、凍脹。AbstractWork harder, not a cold day. Thick permafrost 100 meters or even hundreds of meters often experienced the long geological time. Permafrost area of about 2150000 square miles, about 1 of the total land area and 5 in frozen soil, third of the world.Known as the roof of the world, the Qinghai-Tibet Plateau, is the worlds highest, the largest area of low latitude permafrost regions. The permafrost area of about 1500000 square kilometers, compared with the high latitude permafrost, plateau permafrost has the characteristics of high temperature, thickness and strong sensitivity.Frozen ground subsidence is a major disease of highway construction in permafrost regions,Strict control of plateau permafrost temperature and thickness by altitude: the higher the altitude, the lower the temperature, the thicker the. For every increase in altitude of 100 meters, the annual average temperature of 0.50.6 permafrost thickness decreased, increased 1520 meters. The Qinghai-Tibet Plateau permafrost thickness is measured to be 125.6 meters, low temperature -3.2 .Keywords: permafrost, frost heave, measures目 錄第一章 多年凍土的基本概況1 一 多年凍土的含義1 二 本標(biāo)段多年凍土所處的環(huán)境1 三 本標(biāo)段多年凍土的性質(zhì)1第2章 多年凍土對(duì)公路工程的危害 2 一 凍脹路基 2 二 熱融滑塌 2 三 融化下沉 2第三章 凍土區(qū)路基工程變形發(fā)生機(jī)理3 一 天然狀態(tài)土體凍融過程特征 3 二 路基土體凍融過程 5 三 工程環(huán)境和凍土環(huán)境變化對(duì)凍土區(qū)路基工程影響10第四章 多年凍土區(qū)排水設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)15 一 排水設(shè)施設(shè)計(jì)及施工不當(dāng)將誘發(fā)熱融現(xiàn)象發(fā)生 15 二 排水設(shè)施對(duì)地表水及凍結(jié)層上水的徑流的影響 15第五章 路基裂縫處治方法 16 一 路基工程裂縫類型和特征 16 二 裂縫成因 17 三 工程裂縫的抑制和對(duì)策18 四 工程結(jié)構(gòu)形式的選擇18 五 工程措施補(bǔ)強(qiáng)19 六 凍土區(qū)路基工程變形和工程現(xiàn)象綜合分析20第六章 多年凍土路基的設(shè)計(jì)原則 22 一 降溫原則 22 二 保溫原則 22 三 融化原則 22第七章 本標(biāo)段多年凍土路基的設(shè)計(jì)方案 23 一 一般路段多年凍土路基的處理 23 二 陡坡路段多年凍土路基的處理 25 三 XPS板技術(shù)要求 25第一章 多年凍土的基本概況 1、多年凍土的含義 多年凍土，又稱永久凍土，指的是持續(xù)三年或三年以上的凍結(jié)不融的土層。其表層冬凍夏融，稱季節(jié)融化層。多年凍土層頂面距地表的深度，稱凍土上限，是多年凍土地區(qū)道路設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)。多年凍土分為兩層：上部是夏融冬凍的活動(dòng)層；下部是終年不融的多年凍結(jié)層。多年凍土是寒冷氣候（年均氣溫2）區(qū)的產(chǎn)物。 2、本標(biāo)段多年凍土所處的環(huán)境本標(biāo)段所在區(qū)域多屬青藏高原昆侖山脈東南余脈，三面環(huán)山，主要受西北氣候影響，屬典型的高寒草原大陸性氣候。四季不分明，冬季漫長(zhǎng)而嚴(yán)寒，干燥多大風(fēng)，夏季短促而溫涼，多雨。據(jù)瑪多縣氣象站（位于縣境中北部，海拔4300米）資料：年平均氣溫-4.1，月平均氣溫除59月外，其他各月平均氣溫皆在-3.0以下。 3、本標(biāo)段多年凍土的性質(zhì)該地區(qū)的多年凍土具有地溫較高、退化速率快、對(duì)熱干擾更敏感、凍土熱穩(wěn)定性更差等特點(diǎn)，具有強(qiáng)烈的垂直地帶性，多年凍土溫度、厚度受海拔高度的控制。主要分布有島狀不連續(xù)多年凍土和大片連續(xù)多年凍土。凍土類型以少冰、少冰-多冰凍土和富冰-飽冰凍土為主，并有少量含土冰層 第二章 多年凍土對(duì)公路工程的危害 多年凍土對(duì)公路工程的危害有以下3點(diǎn)： 1、凍脹路基。在季節(jié)融凍層中,如含水量超過一定限值,土中的水份凍結(jié)時(shí),公路路基就會(huì)發(fā)生一定程度的凍脹。 2、熱融滑坍。由于重力或人為的活動(dòng),造成有厚層地下冰分布的斜坡的熱平衡狀態(tài)被打破,地表的土體在重力作用下,沿融凍界面呈牽引式位移而形成滑坍,這就是熱融滑坍。它主要是因?yàn)榈乇硗馏w的凍結(jié)和融化作用所產(chǎn)生。 3、融化下沉。公路路基基底土層分為富冰、飽冰凍土及含土冰層,由于地表水滲入后的熱交換過程和因保溫層厚度不夠,以及路基土本身的壓力以及行車荷載振動(dòng)的作用等,使路基基底一定范圍內(nèi)的原地表和原始多年凍土上限發(fā)生相應(yīng)下沉及下降變化,形成了路基基底融化,導(dǎo)致路基基底下沉;當(dāng)修筑公路路基改變了水的徑流條件時(shí),且排水措施不當(dāng)而造成積水,水體的熱作用也會(huì)使地下冰融化而導(dǎo)致融沉。第三章 凍土區(qū)路基工程變形發(fā)生機(jī)理凍土區(qū)路基工程變形及其衍生現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理與土體冷生過程（凍融過程）密切相關(guān)。凍土區(qū)修筑路基大體可以劃分為三個(gè)階段：即路基修筑階段、路基趨于穩(wěn)定階段和路基穩(wěn)定階段（鐵路長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)階段）。如果根據(jù)修筑路基前后土體冷生過程（凍融過程）發(fā)生發(fā)展和主要冷生特征（地溫場(chǎng)形態(tài)），以及不同階段路基土體傳熱特征來劃分，這三個(gè)階段可以對(duì)應(yīng)工程熱影響和熱擾動(dòng)階段、工程熱影響和熱擾動(dòng)削弱漸消失階段和熱平衡逐漸穩(wěn)定階段。各個(gè)不同階段由于土體冷生作用不同，引起的路基變形特征也各不相同。在土體冷生過程這三個(gè)階段中伴隨著路基變形的發(fā)生、發(fā)展和穩(wěn)定，由于各種工程環(huán)境變化，還衍生了一些工程裂縫等工程現(xiàn)象，給凍土區(qū)路基穩(wěn)定帶來一定影響。1、天然狀態(tài)土體凍融過程特征天然狀態(tài)下處于長(zhǎng)年凍結(jié)的多年凍土層，其上表層由于受到太陽(yáng)輻射熱年際變化的作用，形成了寒、暖季的交替作用。暖季太陽(yáng)的輻射能加熱地表而形成一定融化厚度，稱季節(jié)融化層，該層寒季凍結(jié)與下伏多年凍土層銜接（隔年層及不銜接多年凍土除外），周而復(fù)始形成了季節(jié)凍融過程。地表性狀的不同，接受太陽(yáng)輻射導(dǎo)致地表以下土體溫度變化過程和形成的溫度場(chǎng)形態(tài)不同；土體中水分的存在，在季節(jié)凍融過程中導(dǎo)致體積發(fā)生變化，使土體本身產(chǎn)生凍脹和融沉變形。這樣一個(gè)復(fù)雜的熱學(xué)過程和最后導(dǎo)致的力學(xué)形態(tài)表現(xiàn)，就是我們一般所說的土體冷生過程。青藏高原多年凍土區(qū)季節(jié)凍融發(fā)展過程一般是，寒季過后3月底4月初氣溫升高，但是仍然在0上下波動(dòng)，凍土表層融凍交替，形成3040cm厚的不穩(wěn)定季節(jié)融化層；4月中下旬至5月上旬進(jìn)入穩(wěn)定融化階段，9月下旬至10月上旬（部分地區(qū)在10月下旬至11月上旬）達(dá)到最大季節(jié)融化深度。與此同時(shí)地面又開始自上而下的凍結(jié)，與由最大融化深度處開始的自下而上的凍結(jié)逐漸匯合，10月下旬至11月下旬（或在12月至翌年2月中旬）季節(jié)融化層全部?jī)鐾?。季?jié)融化過程具有階段性，一般分為五個(gè)階段，即不穩(wěn)定融化期（3月下旬至4月末），緩慢穩(wěn)定融化期（4月末至5月下旬），迅速發(fā)展期（6月上旬至9月上旬），動(dòng)平衡期（9月上旬至10月下旬），退化消失期（10月下旬至11月中旬）。水分條件對(duì)以上不同階段發(fā)展過程的延續(xù)時(shí)間起著至關(guān)重要的作用。季節(jié)凍結(jié)和季節(jié)融化過程中，凍融界面的移動(dòng)，除了受氣溫、地表覆蓋等地面條件影響以外，巖性、水分條件起重要作用。天然條件下土體凍融過程是太陽(yáng)輻射熱主導(dǎo)的，地表性狀和土體性質(zhì)導(dǎo)向的復(fù)雜傳熱過程。在整個(gè)過程中，季節(jié)融化層以下的多年凍土都參與了吸熱散熱的熱量周轉(zhuǎn)活動(dòng)，并在整個(gè)熱交換過程中改變著自身的溫度特征。研究天然土體的凍融過程對(duì)研究路基這種復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的凍融過程具有很重要的參考價(jià)值。天然條件下土體凍融過程研究的幾個(gè)關(guān)鍵因素是淺層地表年平均溫度，多年凍土上限位置變化（實(shí)際上就是土體凍結(jié)溫度等溫線位置變化），多年凍土上限（季節(jié)融化層底部）附近年平均溫度變化，多年凍土年變化深度（一年或多年溫度變化幅度近似等于0的深度）以及多年凍土年平均地溫在整個(gè)凍融過程中是否發(fā)生變化等等。2、 路基土體凍融過程路基土體冷生過程是指土體的凍結(jié)融化過程以及伴隨這些過程所發(fā)生的凍土冷生現(xiàn)象，其中對(duì)路基工程影響較大的則是土體凍脹和融化壓縮變形等冷生現(xiàn)象。填土路基結(jié)構(gòu)特點(diǎn)凍土區(qū)填土路基是橫垣地面的條帶狀冷生結(jié)構(gòu)物，路堤修筑時(shí)填土帶給基底熱量，路堤自重作為基底土體的附加應(yīng)力，壓縮了基底季節(jié)融化層，改變了它的結(jié)構(gòu)，并且改變了它的物理、熱物理性質(zhì)，引起融化壓縮變形。而不同路基坡面的水平熱流對(duì)堤身的加熱增加了堤身的熱儲(chǔ)，打破了原地層的熱量年周轉(zhuǎn)格局。當(dāng)填土所增加的熱阻不足以抵消堤身的吸熱效應(yīng)時(shí)，就會(huì)引起基底多年凍土的融化，形成熱融槽面，影響路基的穩(wěn)定；當(dāng)路堤高度足夠時(shí)，填土所增加的熱阻，也就是堤身土體消耗掉大量的熱量，改善了基底的熱狀態(tài)。如果路堤高度低于當(dāng)?shù)貧夂虻臐撛趦鼋Y(jié)能力，就將在基底范圍內(nèi)季節(jié)融化層中形成與多年凍土銜接的新的凍土，稱為凍土核。凍土核的形成，尤其是當(dāng)凍土核升入堤身時(shí)，則有利于凍結(jié)層上水的排泄，保持路堤的穩(wěn)定。 無論是形成融化槽或形成凍土核，經(jīng)過一個(gè)以上的凍融循環(huán)形成其穩(wěn)定的凍土上界，即路堤的人為上限。人為上限的形態(tài)決定了路堤穩(wěn)定以后發(fā)生凍脹融沉變形的土體厚度，是決定路基變形總量的主要因素，這種土體厚度的不均勻性是產(chǎn)生路基橫向不均勻變形的原因(圖3-1表明不同時(shí)期路基土體凍融界面變化和最終形成人為上限形態(tài))。從傳熱過程本質(zhì)來講，填方路堤使大氣和土體的熱交換界面上移，而且界面幾何形態(tài)變得比較復(fù)雜，凍土不能直接通過地表和大氣進(jìn)行熱交換，而是通過熱量傳遞性能各不相同的路堤結(jié)構(gòu)和大氣進(jìn)行熱交換，同時(shí)由于新的熱力平衡狀態(tài)形成之前，路堤作為附加荷載作用在處在變化狀態(tài)下的凍融界面以上土體和凍融界面以下凍土上，使得凍脹和融沉變形變化過程復(fù)雜化。凍土區(qū)填土路基土體冷生過程的階段特征由太陽(yáng)輻射控制的環(huán)境氣溫是土體冷生過程的能量來源，地表溫度是這種能量大小的重要標(biāo)志，土體內(nèi)部地溫場(chǎng)形態(tài)（等溫線分布形態(tài)）是這種能量作用的最終體現(xiàn)。施工完成初期第一個(gè)年凍融變化過程到其后第二和第三個(gè)年凍融變化過程，填土路基和路基以下土體隨著環(huán)境氣溫和凍土地溫周而復(fù)始的變化而發(fā)生從不穩(wěn)定到相對(duì)穩(wěn)定的冷生過程。根據(jù)凍土區(qū)路基工程施工特點(diǎn)以及凍土和凍土路基工程之間熱影響過程特點(diǎn)，青藏鐵路凍土區(qū)路基工程變形大致可以分為三個(gè)階段：第一階段，工程活動(dòng)熱影響和熱擾動(dòng)階段寒季（日平均氣溫為負(fù)溫季節(jié)）環(huán)境溫度形成的凍結(jié)能力使凍土的冷生過程在凍結(jié)因素起主導(dǎo)作用情況下進(jìn)行。路基本體從表面開始自上而下的凍結(jié)；路基基底原天然地面以下至凍土天然上限之間的土體，受填土路基結(jié)構(gòu)其他組成部分（如塊石層）蓄熱影響和路基結(jié)構(gòu)本身相對(duì)原天然地面散熱能力的削弱，使自上而下（大氣降溫）和自下而上（下伏多年凍土的冷生作用）的雙向凍結(jié)作用削弱，原天然地面以下至天然上限之間的土體不能全部?jī)鼋Y(jié)（圖3-2），而且由于填土熱量不能及時(shí)消散，在某些地段會(huì)造成多年凍土上限下移，多年凍土發(fā)生局部暫時(shí)融化的現(xiàn)象。暖季（日平均氣溫為正溫季節(jié)）隨環(huán)境溫度變化地表平均溫度上升，凍土的冷生過程在融化因素起主導(dǎo)作用下進(jìn)行。已經(jīng)凍結(jié)的路基本體和路基基底以下至天然上限之間凍結(jié)的土體，開始自上而下的融化；由于寒季自上而下的熱量（散熱形成的冷卻作用）殘余影響以及下伏多年凍土的熱量影響（也是散熱所致的過冷），在抵御了填土蓄熱后，多年凍土的融化停止。部分地段第一個(gè)暖季末土體凍融界面有可能在原凍土天然上限左右。工程施工對(duì)凍土的熱影響表現(xiàn)在：改變?cè)瓉韮鐾辽峤缑嫣卣鳎ㄖ柑烊坏孛孀優(yōu)楣こ探缑妫?，填土熱量和工程結(jié)構(gòu)散熱特點(diǎn)對(duì)凍土產(chǎn)生巨大熱影響。這一階段變形包括填土路基變形、原來天然上限到地表面之間土層變形，以及多年凍土受到熱擾動(dòng)有可能產(chǎn)生的融化壓縮變形。因此這一階段部分地段路基變形值較大，青藏鐵路凍土區(qū)2002年布置的路基變形觀測(cè)時(shí)間盡管已經(jīng)比施工完畢晚2個(gè)月，變形仍然比較大，當(dāng)時(shí)觀測(cè)變形值超過7cm的典型斷面有40多個(gè)。對(duì)其中凍土地質(zhì)條件極不穩(wěn)定的復(fù)雜地段已經(jīng)采取了橋梁通過或其他補(bǔ)強(qiáng)措施。第二階段，工程活動(dòng)熱影響和熱擾動(dòng)逐漸削弱直至消失氣溫和地表溫度變化仍然周而復(fù)始，但是由于原來填土蓄熱影響已經(jīng)逐漸消失，寒季，路基本體和基底以下土體在雙向凍結(jié)作用下（土體通過地面向大氣散熱和季節(jié)融化層底面向多年凍土層散熱）發(fā)生連續(xù)凍結(jié)；暖季則發(fā)生自上而下的連續(xù)融化。這和原來天然地表以下土體的凍融過程發(fā)展趨勢(shì)近似。所不同的是：路基本體結(jié)構(gòu)的不同（填土或塊石層），和大氣進(jìn)行熱交換的界面形狀、性質(zhì)和原天然地面不同，路基本體結(jié)構(gòu)的散熱降溫能力也不同，冷生過程的結(jié)果也不同，導(dǎo)致最大融化季節(jié)時(shí)凍融界面上升位置和形態(tài)不同。上述路基土體冷生過程對(duì)青藏鐵路凍土路基變形影響，主要表現(xiàn)在路基土體冷生過程（凍融發(fā)展過程）各個(gè)不同階段，路基不同部位發(fā)生凍結(jié)和融化的土層厚度不同，導(dǎo)致不同階段土層變形不同。另外這種冷生過程最后表現(xiàn)的土體溫度的差異，影響了路基基底下面一定范圍內(nèi)凍土的壓縮變形和長(zhǎng)期蠕變變形。青藏鐵路凍土區(qū)路基變形從本質(zhì)上講是凍土路基土體冷生過程的力學(xué)體現(xiàn)。 凍土區(qū)工程經(jīng)過12個(gè)凍融循環(huán)以后，工程活動(dòng)熱影響和熱擾動(dòng)逐漸削弱甚至消失，路基結(jié)構(gòu)的散熱降溫效果開始顯現(xiàn)，多年凍土上限開始穩(wěn)定上升。這一階段路基變形主要包括路基填土季節(jié)凍融變形和原來天然上限到地表面之間土層的季節(jié)凍融變形。觀測(cè)數(shù)據(jù)表明路基變形均趨緩，昆侖山區(qū)、可可西里山區(qū)、風(fēng)火山區(qū)每月路基變形均未超過2cm，沱沱河盆地、通天河盆地、布曲河谷地路基變形較大的地段，在補(bǔ)強(qiáng)措施設(shè)計(jì)實(shí)施后均進(jìn)行了“路改橋”和其他措施的施工，但是在典型地段如楚瑪爾河地區(qū)7月份變形超過2cm的斷面還有15個(gè)。從路基變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看到的一般規(guī)律是：在經(jīng)過第一個(gè)凍融過程以后，工程活動(dòng)熱影響和熱擾動(dòng)逐漸削弱，路基變形逐漸減小，昆侖山區(qū)、五道梁和風(fēng)火山區(qū)這些年平均氣溫較低（5以下）的低溫凍土區(qū)路基，凍脹或融沉變形已經(jīng)穩(wěn)定在月觀測(cè)值1cm左右，凍結(jié)期間（113月）累積變形值穩(wěn)定在2cm左右，融化季節(jié)（410月）累積變形值穩(wěn)定在24cm左右；楚瑪爾河高平原區(qū)、沱沱河盆地、通天河盆地這些年平均氣溫較高（4左右）的高溫凍土區(qū)為主的地區(qū)，路基變形雖然逐漸減小并趨于穩(wěn)定，但是變形絕對(duì)值較上述地區(qū)略大，一般凍脹或融沉變形已經(jīng)穩(wěn)定在月觀測(cè)值2cm以下，凍結(jié)期間（113月）累積變形值和融化季節(jié)（410月）累積變形值均穩(wěn)定在4cm左右。第三階段，凍土和凍土路基工程之間逐漸形成穩(wěn)定的熱力平衡過程外來熱擾動(dòng)短暫影響已經(jīng)消失，新的穩(wěn)定的熱力平衡過程逐漸形成，在工程表面和大氣之間新的散熱條件和工程結(jié)構(gòu)傳熱條件下，大部分地段多年凍土上限穩(wěn)步抬升，相當(dāng)多地段觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，凍土上限已經(jīng)接近或超過天然地面。路基變形主要包括路基本體或凍土人為上限以上土層的季節(jié)凍融變形。截止2005年5月凍土工程變形檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，青藏鐵路凍土路基工程95以上凍脹融沉單次變形觀測(cè)值小于2cm，橫向變形差異小于2cm，已經(jīng)完工兩年的凍土路基工程變形已經(jīng)穩(wěn)定；但是在一些低路堤個(gè)別地段單次觀測(cè)變形超過2cm，凍融季節(jié)累積總變形較大，達(dá)到5cm左右。3、工程環(huán)境和凍土環(huán)境變化對(duì)凍土區(qū)路基工程影響工程環(huán)境和凍土環(huán)境變化實(shí)際上是一種環(huán)境工程地質(zhì)問題。它和土體冷生過程一樣都會(huì)給路基變形和路基穩(wěn)定性造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。路基填筑引發(fā)的環(huán)境工程地質(zhì)問題主要表現(xiàn)在兩方面：一方面路堤填土改變了多年凍土與大氣圈的熱交換條件（如地表?yè)Q熱條件的改變、換熱面形態(tài)的變化、填料土性與基底土性的差別及基底土壓所造成的熱物理性質(zhì)的改變），引起原天然上限位置的變化，并可能導(dǎo)致多年凍土地溫升高，路基基底發(fā)生融沉；另一方面，由于路堤填筑，阻隔了地表水的徑流，在上游側(cè)路基坡腳雨季可能積水，而積水有可能引起坡腳發(fā)生熱融沉陷，從而導(dǎo)致路基出現(xiàn)縱向變形裂縫；路基結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境改變導(dǎo)致的凍土天然上限的變化，改變了地下水（主要是凍結(jié)層上水）的徑流條件及通道，可能在上游側(cè)引發(fā)冰錐、凍脹丘等次生不良凍土現(xiàn)象，甚至可能導(dǎo)致路基下游側(cè)的植被減少、荒漠化加重，地表散熱條件改變，進(jìn)一步影響路基本體凍土上限變化。路基挖方施工即路塹施工引發(fā)的環(huán)境工程地質(zhì)問題也是表現(xiàn)在兩個(gè)主要方面：一方面，在高含冰量?jī)鐾羺^(qū)，特別是地下冰層埋藏較淺時(shí)，可能引起熱融滑塌和融凍泥流等次生工程病害；另一方面，在地下水富集地段，路塹工程對(duì)地下水通道的切割可能導(dǎo)致冰錐、凍脹丘的產(chǎn)生，對(duì)地表水徑流的改變有可能導(dǎo)致植被減少，凍土沙化現(xiàn)象發(fā)生。路基工程挖填方對(duì)凍土區(qū)水文地質(zhì)條件影響分析水熱輸運(yùn)問題是影響路基工程穩(wěn)定性的根本問題。挖方往往使含水層被截?cái)?，淺層地下水系統(tǒng)被破壞，地下水因不能流向下游，從而可能在塹坡上游會(huì)出現(xiàn)地下水露頭，誘發(fā)冰錐、凍脹丘等次生不良地質(zhì)現(xiàn)象。開挖高路塹時(shí)，當(dāng)路基標(biāo)高低于該區(qū)段的地下水位時(shí)，可能導(dǎo)致該區(qū)段地下水位下降，影響附近供水系統(tǒng)（水井和泉水）的地下補(bǔ)給量和流量。同時(shí)，對(duì)于進(jìn)入路塹中的地下水，還必須采取有效的工程措施給予排除。路堤填筑以及路塹開挖，會(huì)造成地表水徑流的重新分布。一方面路基面和路堤排出大量的地表水，加上附近地形地表水徑流的改變，會(huì)加強(qiáng)鄰區(qū)地表的侵蝕作用；另一方面，路基面匯水積水和邊坡排水會(huì)誘發(fā)和加重路基病害，不得不采取工程防治措施。鐵路挖填方對(duì)地表水和凍土層上水系統(tǒng)的干擾作用是影響路基穩(wěn)定性的不可忽視的問題。實(shí)際上，幾乎所有的路塹基床翻漿都與此作用有關(guān)。另外，一些滑坡，溜坍等也與此作用關(guān)系密切。在凍土沼澤（沼澤化濕地），由于地表水的存在及長(zhǎng)期作用，維系著濕地的水熱平衡，若路基修筑時(shí)排除或截?cái)啵ㄓ袝r(shí)采取排除與截?cái)嗟乇硭埠芾щy）地表水，破壞多年形成的熱平衡狀態(tài)，將會(huì)引起新的病害。青藏鐵路格拉段通過唐古拉山區(qū)的凍土沼澤地段時(shí)，采用滲水土填筑或拋填片石處理，而不采用排除地表水的措施，就是為了盡量降低對(duì)地表水徑流的改變，維持凍土沼澤地段原來的水熱平衡。冰椎就是由于地下水的地下通道受阻而聚集或地下水沿某一通道溢出地面凍結(jié)，使地表隆起變形，或在地表積水，其原因是排水通道受阻造成水的富集，冬季凍結(jié)，夏季融化。冰椎是水多次溢出地表凍結(jié)而成的地面冰體。其形成條件是：具有不凍的水源，水的通道，水的驅(qū)動(dòng)力，嚴(yán)寒的氣候條件。按其水源條件分為：河冰椎、湖冰椎、泉冰椎。絕大部分冰椎是季節(jié)性的，路基填筑或路塹開挖如果攔截了地下水的通道，又未處理好排泄通道時(shí)，將可能在路基上游側(cè)附近形成冰椎，危及路基安全。凍脹丘是由土的差異凍脹作用所形成的丘狀地形地貌。青藏鐵路凍土區(qū)沿線的凍脹丘主要是地下水補(bǔ)給而形成的。凍脹丘按照存在時(shí)間分為季節(jié)性凍脹丘和多年生凍脹丘；按其物質(zhì)組成分為泥炭丘、土丘、泥炭泥炭巖凍脹丘；按外來水補(bǔ)給分為開敞系統(tǒng)凍脹丘和封閉系統(tǒng)凍脹丘。而眾所周知的一種爆炸性凍脹丘，是由于其下部含有高壓氣體，當(dāng)凍脹丘上部因融化等原因而導(dǎo)致強(qiáng)度降低時(shí)，就發(fā)生爆炸，此時(shí)高壓水氣沖天而出，最后凍脹丘塌陷成坑。青藏鐵路在施工過程中對(duì)凍脹丘給予了足夠的重視，避免在水分（地表、地下）條件和溫度條件適合時(shí)發(fā)生凍脹丘的再生。青藏公路地勢(shì)相對(duì)低洼的路段處，由于路基填筑，季節(jié)凍結(jié)層增厚，使路基下的地下水具有很大的承壓性，當(dāng)暖季來臨，季節(jié)凍結(jié)層由上向下融化到一定厚度時(shí)，剩余末融化的凍土層承受不住下伏含水層的巨大壓力，則在個(gè)別路段的路面上形成爆炸性充水鼓丘，如頭二九北坡（公路里程K3395處）附近，1990年6月17日路面突然隆起發(fā)生爆炸，形成直徑6 m、深3m的水坑，嚴(yán)重威脅行車安全。這些都給青藏鐵路凍土區(qū)施工一個(gè)非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，避免了鐵路兩側(cè)這些不良凍土現(xiàn)象的產(chǎn)生。多年凍土區(qū)路基排水對(duì)路基穩(wěn)定性影響路基的形成，給地表水和凍土層上水的徑流造成隔斷效應(yīng)，因而出現(xiàn)一些浸濕和積水現(xiàn)象，對(duì)路基形成側(cè)向熱侵蝕，影響路基穩(wěn)定性。路基的浸濕水的來源及分類如果不考慮泉水及其他層間水的補(bǔ)給，路基的浸濕水源主要是大氣降水和凍結(jié)層上水。大氣降水除直接浸濕路基本體外，還形成兩種浸濕水源：地表逕流和自地表下滲而匯入凍結(jié)層上水。大氣降水從地表下滲，被凍結(jié)面所阻隔而滯留于凍融界面，成為凍結(jié)層上水的補(bǔ)給水源。它和降水歷時(shí)、一次降水強(qiáng)度、地表植被蓋度和土層滲透系數(shù)有關(guān)，不是定值。由于高原凍土區(qū)的降水，主要集中在7、8、9三個(gè)月，而這一時(shí)期又是季節(jié)融化的迅速發(fā)展期，大氣降水下滲活躍，成為凍結(jié)層上水的一個(gè)主要補(bǔ)給水源。第四章 多年凍土區(qū)排水設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)1、排水設(shè)施設(shè)計(jì)及施工不當(dāng)將誘發(fā)熱融現(xiàn)象發(fā)生為了盡量較小對(duì)多年凍土的熱擾動(dòng)，排水溝宜采用淺寬斷面，深度不超過0.5m，寬度由逕流量確定，邊坡坡率1：1.5。如斷面尺寸不能滿足要求時(shí)，以加大底寬或培土成溝來適應(yīng)，否則可能促使新的熱融滑塌或融凍泥流發(fā)生。排水溝的設(shè)置要考慮其影響范圍不能涉及或影響路基本體。以往研究和觀測(cè)數(shù)據(jù)證明：底寬0.6m、溝深0.6m、邊坡坡率l：1的排水溝，使用一年后上限下降0.54m，但距溝邊1.0m處的凍土上限變化很?。簴|北地區(qū)島狀凍土區(qū)的排水溝67年后，水平影響范圍為13m：風(fēng)火山試驗(yàn)路基1960年設(shè)置業(yè)已穩(wěn)定的排水溝在1976年解剖時(shí)發(fā)現(xiàn)：上限下降僅0.15m，影響范圍為34m。因此目前青藏鐵路凍土區(qū)高含冰量?jī)鐾恋囟温坊潘疁?、天溝、擋水捻?nèi)側(cè)至保溫護(hù)坡坡腳的距離不小于5.0m；少冰、多冰凍土地段，排水溝、擋水捻內(nèi)側(cè)至路堤坡腳或塹頂?shù)木嚯x不小于5.0m。否則可能造成路堤坡腳積水，破壞坡腳處基底的熱平衡，危及路基工程的安全。由于高原多年凍土區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，植被一遭破壞難以恢復(fù)?，F(xiàn)在的排水溝施工已經(jīng)和過去不同，工程實(shí)踐中盡量不破壞或少破壞地表的天然狀態(tài)，尤其是在高含冰量?jī)鐾恋囟?。設(shè)置排水溝時(shí)，要注意對(duì)溝周圍地表植被的保護(hù)，現(xiàn)在施工開挖水溝挖出的草皮都被回填于水溝的邊坡或基底既有利于植被成活又利于保持排水溝的穩(wěn)定。圖21 多年凍土區(qū)高含冰量地段擋水埝天溝組合排水示意圖2、排水設(shè)施對(duì)地表水及凍結(jié)層上水的徑流的影響圖21是理想的高含冰量多年凍土地段擋水捻天溝組合排水示意圖。圖示排水組合斷面是利用多年凍土區(qū)在地表堆填土(達(dá)一定高度時(shí))使天然上限上升、挖排水溝使天然上限下降的特點(diǎn)，人為地在相近地段設(shè)置填挖斷面以形成天然上限變化后的凸凹界面，充分利用凍融界面作隔水面、凍土核與融化槽的相對(duì)高差為蓄水槽，截住凍結(jié)層上水并從縱向排走，防止其流向路基影響路基穩(wěn)定而捻外天溝又起到截排地表水的作用，防止(或減少)地表水對(duì)擋水埝坡腳的浸濕。圖21所示的這種排水設(shè)施的布置方案，其設(shè)計(jì)思路主要是從路基坡腳避免被地表水和凍結(jié)層上水融蝕的角度出發(fā)的，圖示方案確實(shí)滿足了設(shè)計(jì)意圖。但是，擋水捻及天溝的設(shè)置人為地截?cái)嗷蚋淖兞说乇硭蛯由纤畯搅鞣较?，路基上游?cè)極有可能引發(fā)冰錐或凍脹丘等次生不良地質(zhì)現(xiàn)象。在路基下游側(cè)由于長(zhǎng)期得不到上游地表水及凍結(jié)層上水的補(bǔ)給，可能造成地表植被減少或凍土沼澤的退化。考慮這些環(huán)境變化引發(fā)的不良凍土現(xiàn)象，應(yīng)該及時(shí)在上游側(cè)采取挖排截的處理措施。第五章 路基裂縫處治方法1、路基工程裂縫類型和特征按裂縫與線路的相對(duì)位置分：A、縱向裂縫；B、橫向裂縫；C、斜向裂縫按裂縫形成的原因分：A、融沉裂縫；B、寒凍裂縫按裂縫形態(tài)分：A、直線型裂縫；B、圓弧型裂縫；C、折線型裂縫 這些工程裂縫散熱形態(tài)不一，但是特征可以歸為表211表211是融沉裂縫和寒凍裂縫的特征表，從表中可見，其表現(xiàn)特征的不同點(diǎn)是：融沉裂縫發(fā)生在暖季，寒凍裂縫發(fā)生在寒季，融沉裂縫以縱向?yàn)橹?，寒凍裂縫橫向、縱向、斜向都有。大多數(shù)融沉裂縫的寬度大于寒凍裂縫。裂縫的相同點(diǎn)是：由于融沉作用和凍裂作用所產(chǎn)生的縱向裂縫多分布于陽(yáng)坡路肩、坡面及護(hù)道上。裂縫垂向呈“V”型。表211 融沉裂縫與寒凍裂縫特征表融沉裂縫寒凍裂縫含義由于暖季路基融化土體造成不均勻沉降而形成的裂縫。冬季強(qiáng)烈冷卻時(shí)，凍土體表面常常因強(qiáng)烈收縮而開裂所形成的有序或無序的裂縫。裂縫貫入深度隨地溫的不同而不同，有時(shí)可穿透活動(dòng)層或貫入多年凍土56m。表現(xiàn)特征以縱向裂縫為主，多分布于陽(yáng)坡坡面、護(hù)道及路肩，調(diào)查裂縫寬度多數(shù)為1040mm，裂縫長(zhǎng)度1050m。裂縫垂向呈“V”型。橫向裂縫最多，縱向裂縫次之，也有少量斜向裂縫。橫向裂縫在路橋、路涵過渡段、不同工程措施過渡段及測(cè)試斷面上出現(xiàn)較多；縱向裂縫多分布于陽(yáng)坡路肩、坡面及護(hù)道上；斜向裂縫出現(xiàn)在熱棒路基上。調(diào)查裂縫寬度多數(shù)為520mm，裂縫長(zhǎng)度1030m。裂縫垂向呈“V”型。2、裂縫成因路基裂縫是伴隨路基土體的融化和凍結(jié)過程而產(chǎn)生的，其影響因素較多。初步分析認(rèn)為其主要影響因素為含水量、地溫梯度、巖性、壓實(shí)度、年平均地溫、溫度較差等。在路基土體融化時(shí)，由于路基土體的不均勻沉降引起的產(chǎn)生融沉裂縫。由于路基土體巖性、含水量、地表溫度和凍土溫度梯度的差異使得路基各部位在橫向上融化深度不同，即發(fā)生融沉變形的土體厚度的不同就造成路基在橫向的不均勻沉降，當(dāng)不均勻沉降產(chǎn)生的應(yīng)力大于土體抗拉強(qiáng)度時(shí)，路基土體就沿橫向受拉產(chǎn)生縱向裂縫。在路基土體凍結(jié)時(shí)，產(chǎn)生寒凍裂縫，寒凍裂縫與土體凍結(jié)過程的凍裂作用有關(guān)。由于路基土體巖性、地溫梯度、含水量、路基不同部位處溫度較差的不同，使凍結(jié)土體中產(chǎn)生張拉應(yīng)力，在土體相對(duì)薄弱部分，例如路橋、路涵過渡段、不同工程措施過渡段等產(chǎn)生裂縫。溫度較差越大，越易產(chǎn)生寒凍裂縫，且寒凍裂縫的密度越大。寒凍裂縫深度主要取決于年平均地溫和巖性，使寒凍裂縫深度能超過活動(dòng)層而貫入到多年凍土上部所需要的年平均地溫值是不一樣的。而地溫梯度決定了水分遷移的強(qiáng)度和結(jié)果。3、工程裂縫的抑制和對(duì)策 從對(duì)天然條件下和工程條件下凍土冷生現(xiàn)象及其影響因素的分析和以上對(duì)不同時(shí)期工程裂縫調(diào)查可以看出，從工程角度上講，最有實(shí)際意義的是首先從巖性、水分、溫度上控制在融化因素起主導(dǎo)作用下發(fā)生的凍土冷生過程及其結(jié)果，也就是控制融沉變形，減少橫向變形的差異，最終控制沉降裂縫的發(fā)生和發(fā)展；其次是從溫度條件控制在凍結(jié)因素起主導(dǎo)作用下發(fā)生的凍土冷生過程及其結(jié)果，也就是控制沉降裂縫在凍結(jié)條件下發(fā)展，并從溫度較差條件方面減小發(fā)生寒凍裂縫的條件。對(duì)于抑制裂縫和根治裂縫，應(yīng)該從以下幾個(gè)方面入手：4、工程結(jié)構(gòu)形式的選擇從試驗(yàn)段發(fā)生沉降變形裂縫和寒凍裂縫的情況看，工程結(jié)構(gòu)應(yīng)該以增加土層冷儲(chǔ)量、提高凍土上限，減少發(fā)生沉降土層厚度，減少坡向因素造成的橫向變形不均勻，加強(qiáng)融化深度較深的坡腳處的保護(hù)性措施為主要方向。片石路基、片石護(hù)坡路基、底部埋設(shè)通風(fēng)管路基、熱棒路基都是這類工程結(jié)構(gòu)。除了上述作用，他們還能夠不同程度的減小土層溫度較差、降低土層溫度、減少水分遷移，從而減少寒凍裂縫的發(fā)生。熱棒作為主動(dòng)降低土體溫度的措施雖然有效，但是由于其作用半徑的問題，從經(jīng)濟(jì)對(duì)比上限制了其在整段路基上大面積的作為唯一工程結(jié)構(gòu)的使用，除了設(shè)計(jì)部門目前已經(jīng)在某些特殊地段設(shè)計(jì)熱棒結(jié)構(gòu)以外，如果更多地考慮將其作為坡腳處的一種加強(qiáng)措施，和一般工程措施聯(lián)合使用，應(yīng)該能收到更好的效果。根據(jù)中鐵西北研究院1997年2000年在風(fēng)火山試驗(yàn)路基進(jìn)行的遮擋式邊坡結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，證明這是一種減小地表溫度較差，減少發(fā)生寒凍裂縫，同時(shí)降低土體溫度，保護(hù)凍土的有效結(jié)構(gòu)形式，由于其造價(jià)的低廉和施工的簡(jiǎn)易，應(yīng)該能成為補(bǔ)強(qiáng)的有效手段。5、工程措施補(bǔ)強(qiáng)對(duì)于沉降裂縫和寒凍裂縫除了從工程結(jié)構(gòu)上加以防止和削弱，還應(yīng)該采取路基填土分層加筋的措施，加強(qiáng)土體抵御可能發(fā)生的這些裂縫的能力。一般來講，第一年沉降裂縫發(fā)生，第二年沉降裂縫發(fā)展，寒凍裂縫發(fā)生（前面已敘述），試驗(yàn)段加土工隔柵地段沉降裂縫和寒凍裂縫都比較少，說明這種措施抵御可能發(fā)生裂縫的能力。從試驗(yàn)段路基的特點(diǎn)來看，在相對(duì)集中的地段，集中布置了原理不同、效果各異、對(duì)凍土冷生過程影響各不相同的工程結(jié)構(gòu)和措施的試驗(yàn)段、對(duì)比段，從理論上講，試驗(yàn)段本身已經(jīng)在縱向具有先天性的不均勻因素，在橫向上由于各類結(jié)構(gòu)措施的作用結(jié)果不同也存在不均勻性，因此，產(chǎn)生沉降變形裂縫和寒凍裂縫的差異性條件比一般均一性路基好（目前對(duì)已施工成型的昆侖山地區(qū)、楚瑪爾河地區(qū)、五道梁地區(qū)典型地段的觀察看，路基表面裂縫還未見到），因此有必要在鋪軌以前對(duì)試驗(yàn)段路基進(jìn)行分析研究，個(gè)別地段應(yīng)采取均一性調(diào)控措施。6、凍土區(qū)路基工程變形和工程現(xiàn)象綜合分析圖 22風(fēng)火山低溫凍土區(qū)路基1976年建成，1977年10月，最大季節(jié)融化深度已經(jīng)進(jìn)入路基本體（圖中0等溫線）凍土區(qū)路基地溫場(chǎng)包括填方路基（路堤）和挖方路基（路塹）地溫場(chǎng)。挖方路基，也即路塹的修筑過程，從凍土路基修筑的熱學(xué)過程本質(zhì)講，僅僅是將大氣和土體的熱交換界面下移（即開挖后形成新的熱交換界面），凍土埋藏深度減小，結(jié)果將形成新的季節(jié)融化層，為了改善季節(jié)融化層性質(zhì)，進(jìn)行了一定的換填處理后，一般經(jīng)過一個(gè)凍融循環(huán)過程就可以達(dá)到新的熱力平衡，我們不作重點(diǎn)剖析。填方路基，即路堤的修筑過程就比較復(fù)雜。從熱學(xué)過程本質(zhì)來講，填方路堤使大氣和土體的熱交換界面上移，而且界面幾何形態(tài)變得比較復(fù)雜，凍土不能直接通過地表和大氣進(jìn)行熱交換，而是通過熱量傳遞性能各不相同的路堤結(jié)構(gòu)和大氣進(jìn)行熱交換，同時(shí)由于新的熱力平衡狀態(tài)形成之前，路堤作為附加荷載作用在處在變化狀態(tài)下的凍融界面以上土體和凍融界面以下凍土上，使得凍脹和融沉變形變化過程復(fù)雜化。如上所述，凍土區(qū)修筑路基前后可以劃分為三個(gè)階段，這三個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)這土體冷生過程熱學(xué)穩(wěn)定性的三個(gè)階段，即：即路基修筑階段（工程活動(dòng)熱影響和熱擾動(dòng)階段），路基趨于穩(wěn)定階段（工程活動(dòng)熱影響和熱擾動(dòng)弱化階段）和路基穩(wěn)定工作的鐵路長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)階段階段（凍土和凍土路基工程之間新的熱力平衡形成階段）。不同階段路基土體傳熱特征各異，地溫場(chǎng)形態(tài)有著明顯的區(qū)別，因而路基變形特征也各不相同。第六章 多年凍土路基的設(shè)計(jì)原則1、降溫原則 降溫原則主要針對(duì)凍土含冰量較高，凍土上限較淺及凍土厚度較大的多年凍土路段，采用主動(dòng)冷卻、增強(qiáng)對(duì)流等工程措施降低多年凍土地溫和控制多年凍土地溫因氣候變暖引起的升溫趨勢(shì)，使之在路基設(shè)計(jì)年限內(nèi)能有效保護(hù)多年凍土穩(wěn)定的設(shè)計(jì)原則，目前主要措施有熱棒路基、片塊石路基、通風(fēng)管路基及以上措施組合的復(fù)合路基。2、 保溫原則 保溫原則主要針對(duì)多年凍土厚度大于2m，凍土埋深較大的凍土路段，采用被動(dòng)保護(hù)多年凍土的工程措施，來保護(hù)和延緩多年凍土的融化，使之在路基設(shè)計(jì)年限內(nèi)能有效維持路基穩(wěn)定的設(shè)計(jì)原則。 保溫原則主要分兩種：一是自然保溫，即采用填土路基保溫，通過保證一定的路基填筑高度來維護(hù)路基下多年凍土的穩(wěn)定；另一種是采用特殊措施保溫，如路基兩側(cè)設(shè)護(hù)坡道、鋪設(shè)保溫材料等。3、 融化原則 融化原則主要針對(duì)少冰、多冰凍土路段，以及含冰量較大冰層較薄的凍土路段，使多年凍土區(qū)公路修筑及運(yùn)營(yíng)過程中多年凍土全部或部分融化，確保公路建成后路基路面的不均勻沉降滿足使用要求。第七章 本標(biāo)段多年凍土路基的設(shè)計(jì)方案 a、路基設(shè)計(jì)廣泛收集氣象、工程地質(zhì)及凍土物理力學(xué)試驗(yàn)等資料，收集舊路路況資料及當(dāng)?shù)芈坊『Ψ乐蔚南嚓P(guān)經(jīng)驗(yàn)。 b、充分考慮地表水、路側(cè)積水對(duì)多年凍土的影響，路基設(shè)計(jì)采用安全、有效地疏導(dǎo)措施，做好路基防、排水設(shè)計(jì)。 c、盡量選擇弱凍脹甚至不凍脹的粗顆粒土作為路基填料，控制路基變形。 d、對(duì)于路側(cè)積水坑、原取土坑進(jìn)行恢復(fù)，路側(cè)200m范圍內(nèi)不得隨意取土，注重植被恢復(fù)，保護(hù)凍土環(huán)境；部分較大大積水坑，設(shè)置護(hù)坡道，使積水遠(yuǎn)離坡腳。 e、多年凍土路基遵循“寧填勿挖”的設(shè)計(jì)原則，盡可能以填方路基通過，減少對(duì)凍土的干擾。對(duì)于多冰、少冰凍土路段，采取允許路基融化的設(shè)計(jì)原則，路基最小高度以1.8米控制，低填路基路床部分換填碎石；富冰、飽冰凍土路段，采用