浅谈岛状冻土对路基稳定性影响.docx

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1、浅谈岛状冻土对路基稳定性影响摘要：由于冻土地区地下永冻层的存在，难以修建高等级公路，使得大面积国土资源的开发和利用受到很大的限制。本文从岛状冻土的定义入手，针对岛状冻土常见的病害进行分析，总结出影响冻土路段路基稳定的主要因素。关键词：沉融;工程地质;季节融化层Abstract: Due to the existence of the undergroundpermafrost in permafrost regions, it is difficult to buildhigh-grade highways, making a large area of land and resourcesd

2、evelopment and utilization of the greatly curtailed. Start fromthe definition of island permafrost island permafrost commondisease analysis, summed up the main factors that affect thestability of the permafrost section of roadbed.Key words: heavy melting; engineering geology; seasonalthawing layer中图

3、分类号:TU47文献标识码：A文章编号：2095-2104(2012)第一章前言岛状冻土所谓岛状冻土，又称不连续冻土。在连续冻土带外围和中、低纬度的高原和高山区呈岛状分散的冻土。多年冻土从高纬向低纬延伸，厚度变薄且由连续的冻土带向不连续的冻土带过渡。这种多年冻土的不连续带是由许多分散的冻土块体组成，这些分散的冻土块体即岛状冻土。由岛状冻土带来的问题我国的多年冻土主要分布在青藏高原和大、小兴安岭地区。由于冻土地区地下永冻层的存在，难以修建高等级公路,使得大面积国土资源的开发和利用受到很大的限制。由于全球气候的变迁、气温变暖，特别是在修筑黑色路面后，由于吸放热的不平衡，使黑色路面下面的冻土层正积温

4、增加、路堤侧面受太阳辐射的影响、侧向冻土环境变化及冻结层上水的影响等，使多年冻土地区高温冻土路段增加，部分路基下季节冻结深度小于融化深度而形成的融化夹层；极少部分高填方路段由于路基的不均匀沉降而路面出现大幅度沉陷，导致构造物无法正常使用。冻土地区筑路工作中的问题除了一般寒区道路中常见的路基冻胀、翻浆路面冻融松散低温开裂外，还有冻土地区特有的道路病害：路基热融下沉、热融滑塌。第二章岛状冻土病害分析沉融是岛状冻土地区产生的主要病害，一般多发生在含冰量大的粘性土地段。多年冻土分布具有不连续性，冻土厚度也有差别。这就导致了冻土地区道路融沉的不均匀性。有的路段在以较慢的速度连续下沉一段时间后，有时突发大

5、量的沉陷，并使两侧部分地基土隆起。这是由于路基基底含冰量大的粘性土融化后处于饱和状态，其承载力几乎为零，加之路堤两侧融化深度不一使得基底形成一倾斜的冻结滑动面。在车辆荷载的作用下，过饱和粘性土顺着冻结面挤出，路堤瞬间产生大幅度沉陷，通常称为突陷。这样的突然沉陷严重地危及行车安全。有的路段路堤在每年融化季节逐渐下沉;而在零星岛状多年冻土带内，部分路基全部下沉。这种情况一般都发生在地下冰发育地段，或因施工时破坏地表草皮泥炭覆盖层，或路堤建成后上方坡脚积水，形成地表水沿基底的横向渗透，造成地下冰的逐年不断融化，致使路基出现周期性的持续下沉。当基底土层的散热超过吸热时，则地温下降，人为上限就上升，路堤

6、保持稳定。如吸热超过散热则地温上升，多年冻土融化，人为上限下降，路堤就会产生融沉病害。路堤越低，意味着在从上界流向地中的传热过程中，热阻减小、路基自身的储热能力变小，因而不利于热稳定。在多年冻土上限附近的细粒土和有一定量细粒土填充的粗粒土中往往含有厚层地下冰。由于其埋藏浅，所以很容易受到人为的活动而融化。由厚层地下冰融化而产生的融沉是多年冻土区路基变形和破坏的主要原因之一路堤的修建、路面的摊铺改变了原表面的水热交换条件，并引起基底土层压缩等一系列变化。这些变化在一定条件下使上限下降。而道路的修建则增加了热阻，是有利于上限上升的因素。当路堤很低时，热阻小，故使上限上升的因素弱于使上限下降的因素，

7、因而上限一般是下降。随着路堤高度的增加。使上限上升因素的作用也随之增强。当这一因素的作用增加至等于或大于使上限下降的作用时，就会导致路堤下上限不变或上升。这样就存在这样一个路堤高度，当上限大于这一路基高度时，上限将上升，而小于这一高度时,上限将下降。这一高度称为临界高度。当采用保护冻土原则在冻土区筑路时，必须保证实际路堤高度大于临界高度。但并非路堤高度越高越有利于保护冻土。在高温冻土区，夏季施工的路堤其高度超过一定值时，会在堤身内形成融土核，造成地下冰融化，而使路堤下沉。路堤建成后改变了地表和地下水的径流条件。当排水措施不当时会产生路堤过水和堤侧积水现象。其后果往往是地下冰融化，路基下沉甚至发

8、生突陷。第三章冻土路段路基稳定性影响因素影响冻土路段路基稳定的影响因素总结起来有以下几个：降水和蒸发降水和蒸发是季节融化层湿度状况的直接影响因素。青藏高原融化季节正是雨季，下雨时连绵阴雨,使季节融化层，尤其是浅层湿度急剧增大。间雨期时蒸发强烈，又使融化层的水分疏干。这种补给与疏干交替进行。补给时，垂直渗流有加速融化程的趋势，疏干时，蒸发消耗热量以降低土面的温度，减缓融化过程的强度。同时，季节融化层湿度的变化也改变土质骨架的组构，直接影响其热周转能力。年降水量的大小不仅影响季节融化层的湿度状况,与季节融化层融化深度也有着密切的关系。季节融化层的土质和工程地质条件季节融化层骨架土的粒度组份、矿物成

9、份以及有机质成份的不同,形成不同的孔隙率、密度、含水和导水能力，这些差异直接影响土层的容积热容量、导热系数、导温系数、相变热和导湿系数等热学参数和水分迁移系数,这些参数直接参与路基稳定性的评价。季节土层的表面性状,既有地面对太阳直接辐射能吸收的正影响，也有消耗蒸发汽化热的负影响，它的差异取决于表面湿度的色泽深浅:干燥砂砾土面的太阳直接辐射吸收率在0.720.80,但蒸发散热少，故融化热影响较强;一般湿润的细粒亚粘土或稀疏草地面，吸收率在0.80左右,但通过毛细补给的水分蒸发作用较强，融化热影响稍差;浓密草地、沼泽化湿地吸收率约0.70,同时表面水分蒸发最强烈，因此对季节融化最为不利。季节融化层

10、的工程地质特性对路基的稳定性至关重要。公路是一个带状结构物，其自重与车辆荷载影响的深度一般在0.73.7 mo进行公路建设，尤其是在高原多年冻土地区进行公路建设，就必须清楚这一深度范围内的工程地质特征。青藏高原晚近期构造活动强烈，褶皱断裂发育，形成山脉与谷地、盆地相间分布的格局，第四纪堆积物则为冰积、冰水沉积、湖相沉积、河流沉积、寒冻风化与水流堆积及风积物。因此，松散层堆积物的厚度变化很大，薄者不到1 m,厚者可达300多m0强风化带以上多为812 m0公路建设活动主要在季节融化层上进行,因此季节融化层的工程地质特性是决定公路路基稳定性的重要因素之一。路基填料和路基断面路基填料是修筑路基可供选

11、择的要素之一，如果单纯从保护冻土方面考虑，则以粘性土较好，砂性土次之，砂砾石较差。但综合分析气候、水文、工程质量及维持通车和工程造价等条件，结合青藏公路的实际情况，当沿线为砂类土时，路堤填料可以在距路基坡脚外30 m范围就地取土;当沿线为粘性土时,若地表水文条件较好，路堤下部可在路基外侧30 m范围就地取土，上部（厚度不小于60 cm）须用粗粒土填筑;若地表水文条件较差，宜集中远运粗粒土填筑路堤。路基断面外形包括路基顶宽、边坡坡度和是否有护道等辅助结构。由于路面吸热量一般高于天然地面，所以堤顶越宽,对堤体中心的热增量影响越大。边坡越缓，护道越高、越宽则越有利于路基顶面的热增量作水平方向扩散,从

12、而减弱垂直方向的热增量，并可防止地表水侵入路基。同时，由于边坡和护道比天然地表高出较多，在垂直方向热阻增大，在路基横断面下形成高于路基中心多年冻土人为上限和天然上限的冻土上限，即形成一个冻结层上水的“挡水塔”，非常有利于路基的稳定。路面性状和天然地面的性状一样，路面性状对路堤顶表面的热量平衡有直接影响。以代表性的黑色沥青混凝土路面、浅色水泥混凝土和砂砾路面作比较，黑色沥青路面的太阳直接辐射吸收率高达0.95,浅色水泥混凝土和砂砾路面相近约0.80。沥青路面和混凝土路面具有良好的阻水性能，路面干燥,故蒸发耗热可以略而不计，但砂砾路面相对于前二者受降水入渗和蒸发疏干的影响，吸收的太阳辐射热部分地耗

13、于水分蒸发，尤其在雨季。另一方面，若路基填料为细粒土时,需要加速路基填料在施工期的水分疏干，则砂砾路面较混凝土路面均优，直到砂砾路面因运行压密固结形成基本不透水的“壳层”为止。从保护多年冻土的路基热稳定性条件来评价路面性状，显见砂砾路面优于浅色水泥混凝土,而后者又优于黑色沥青混凝土路面。路基高度从保护冻土出发，单纯地考虑路堤高度时,热稳定的影响是比较简单的。因为路基高度大,意味着从上界面流向地中的热量传递过程中，热阻增大,路基内的热储（相容和相变热）也增加。增加路堤高度,有利于热稳定。但是路堤高度不能过低,也不能过高,亦即习惯称之“下临界高度”和“上临界高度”。路堤高度过低，是因为路基下伏天然建筑场地受路基的压密排水,使天然土层的热阻减小和热储减少，而路基增加的热阻和热储尚不足以补偿前者的减小，因此，反馈影响导致整体的热稳定状况恶化。路堤高度过高，对行车安全性和高原生态环境保护不利,工程造价也不经济。多年冻土层的土质与工程地质多年冻土层骨架土的粒度组份，矿物成份以及有机质成份的不同，冻土构造、冻土温度、冻土含冰量和未冻水含量及其孔隙也不同，融化后将形成不同的密度、含水和导水能力及压密沉降量，这些差异直接影响土层的容积热容量、导热系数、导温系数、相变热和导湿系数等热学参数和水分迁移系数，这些参数直接参与路基稳定性的评价。注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。