土木工程学科前沿讲座-冻土

中国矿业大学力学与建筑工程学院《专业导论》课程土木工程方向专题论文论文题目：冻土地区路面基层结构姓名班级学号学期任课教师2011年06月专业导论—冻土地区路面基层结构——针对我国青藏公路所谈冻土问题班级：土木班姓名：学号：摘要路面基层作为路面结构中的主要承重层，其强弱和好坏明显影响着路面结构的整体强度、使用品质和使用寿命，路面的许多病害与基层状况直接相关。随着半刚性基层在我国公路路面中的广泛使用，冻土地区公路路面基层类型也比较单一，以水泥稳定粒料等半刚性基层为主。在一些冻土地区低温、大温差、干燥、冻融循环剧烈等特殊自然条件下，半刚性基层普遍出现强度低、难以形成板体、收缩开裂严重等问题，导致路面整体承载能力和抗变形能力明显降低，产生反射裂缝、不均匀沉陷、坑槽和松散等多种病害，严重影响路面的使用性能。冻土地区公路路面特殊的使用条件和施工条件对路面基层结构与材料提出了特殊要求。青藏高原多年冻土基本呈连续性或大片分布，温度低，地下冰厚，青藏公路和青藏铁路穿越青藏高原的大片连续多年冻土、岛状多年冻土和季节冻土区，其出现的问题为冻土研究提供了有利依据。关键字冻土地区路面基层病害1冻土研究冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土岩。冻土是一种对温度十分敏感且性质不稳定的土体是一种特殊土类。常规土类的性质主要受其颗粒的矿物和机械成分、密度和含水量的控制，只要这些因素一确定，土的性质就基本稳定，因此多半边表现为静态特性。冻土就不一样了，冻土的特性除与上述因素有关外，还受含冰量的控制，而含冰量直接与温度挂钩，温度升高含冰量减少，温度降低含冰量升高。在人类生产活动的深度范围内（一般不超过20米），由于气候季节变化，引起土温的变化时不可避免的，因此，冻土的性质随时都在变化，表现为动态特性。冻土是广泛分布在地球表面的一种低温地质体且冻土区有丰富的土地、森林和矿藏资源，它的存在及其演变对人类的生存环境、生产活动和可持续发展具有重要影响。冻土在我国的分布面积较大，约占我国国土面积的50%以上，其中多年冻土面积约215万平方千米，占我国国土面积的22.3%,仅次于俄罗斯和加拿大，位居世界第三。多年冻土的工程性质以及冻土地区的特殊自然条件，给冻土地区公路建设带来了巨大困难。在冻土地区修建各种工程构筑物困难重重，早期在冻土区修筑的各种构筑物包括房屋、道路、桥涵、渠道等等，都遭到不同程度的破坏，有的开裂、有的倾斜、有的甚至倒塌。2冻土地区公路工程特点冻土的基本特性、工程性质以及冻土地区的太特殊自然条件，影响着冻土地区道路修筑，使其具有不同于一般地区的特点。2.1冻土地区公路工程特殊地质冰融作用使岩石遭受破坏，松散沉积物受到分选和干扰，冻土层发生变形，并产生冻胀、热融沉陷和流变等一系列复杂的过程，是冻土地区公路工程建设面临厚层地下水、冻胀丘、热融沉陷、热融滑塌等一系列特殊的工程地质问题。这些不良工程地质现象发生和存在的基本不仅在于冻土地区气候严寒，而且还有多年冻土层作为底板使地表水的下渗和多年冻土层上水的活动受到约束。青藏高原多年冻土区厚层地下冰比较发育，多分布在高平原以及地山丘陵的山间低地、山前缓坡和平缓分水岭带。在厚层地下水发育地段，容易产生热融沉陷、热融滑塌等不良地质现象。对青藏公路多年冻土区路基的使用状况的多次调查表明，路基沉陷变形、纵向裂缝较为严重，是冻土地区公路路基的典型病害，另外还分布有边坡冲刷及冻胀翻浆等危害。2.2冻土地区公路路基病害冻土路基与一般地区路基的不同之处是它依附于以环境温度为生存条件的多年冻土，随着温度的变化，路基容易发生不均匀变形，冻土路基的变形主要是融沉和冻胀。2.2.1冻土路基边形研究和工程实践表明，冻土地区路基路面经常出现沉陷、波浪、裂缝。隆起等病害，主要是路基下多年冻土的变化及路基季节性冻融导致，路基变形时导致冻土地区路基失稳和路面破坏的主要原因。如青藏公路穿越连续多年冻土区500多公里，区内气候严寒、地质及水文地质条件复杂。加之近年来运输车辆日趋重型化，以及全球气候变迁，气温转暖，特别是在修筑沥青路面后，由于吸放热的不平衡，使沥青路面下卧土层的正积温增加，造成多年冻土上限下移，导致路基变形失去稳定。历年来的大量调查、勘探与现场观测表明，青藏公路冻土路基变形以沉降变形为主，冻土路基下多年冻土的融化时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80%以上。路基变形的主要表现形式为路基的横向倾斜变形、纵向凹陷与波浪沉陷，大多发生在高含水率的高温冻土地段，究其原因是路基下低温逐年升高，地下冰融化，多年冻土上限逐年下降所致。多年冻土地区工程地质条件与一般地区的区别，主要在于多年冻土中的水分是以固态冰的形式存在，并使岩土颗粒与冰胶结在一起，使岩土的工程性质发生变化。沿途中含冰率的多寡决定了工程地质条件的优劣程度。冻土温度的高低，也决定了冻土强度的大小，尤其是，天然状态下的多年冻土地地温决定了多年冻土本身的稳定状态及对外界扰动的敏感程度。道路工程建设对多年冻土生存环境产生扰动，多年冻土年平均地温及含冰率决定了其升温及融化速率，以及冻土路基发生的热融沉陷变形。所以，多年冻土地温是冻土工程地质条件划分的重要指标之一。沥青路面下多年冻土产生融化而导致冻土路基的不均匀下沉变形，实质就是沥青路面使多年冻土地温逐年上升，多年冻土工程地质条件向差的方向转化。2.2.2冻土路基纵向裂缝青藏公路经过1992-1996年的一期整治后，路基沉陷等病害得到了一定程度的控制，但产生了一些新问题，其中包括部分高速路段开始出现较为严重的纵向裂缝。自1998年开始，多年冻土地区的路基路面普遍出现严重的纵向裂缝，并且呈现出日益加重的趋势。调查表明，总想开裂的发育、分布与多年冻土稳定状态、工程建设历史、路基高度、路基走向、边坡坡向等有关。根据青藏公路纵向裂缝的特点，以反映纵向裂缝的形成机理和变形破坏特性为原则，以纵向裂缝形成的主要影响因素、分布规律、变性特点和形态特征为依据，将青藏公路多年冻土区内的纵向裂缝可以划分为路面边缘带沉陷性弧状裂缝、路肩沉陷性纵向裂缝、路面中间带张性纵向裂缝等三种类型。多年冻土地区各类公路病害的发生和分布均受多年冻土及其稳定性的影响。多年冻土的类型，特别是冻土上限的变化，会直接影响路基的热融沉陷变形，也带来路基中水、热状态的改变，进而引起路基受力状态的改变。因此，多年冻土的稳定程度是纵向裂缝产生的内在因素。稳定性、岛状多年冻土区内的纵向裂缝产生和分布较少，规模较小；亚稳定型、退化型多年冻土区内的纵向裂缝分布较多、规模较大；融区内的纵向裂缝的数量少、规模小，与季节冻土区基本相同。纵向裂缝的发展过程与工程建设历史有关，其影响来自两个方面：一是整治工程路基加高，新老路基连接部位，因新填部分自然沉降较大，造成路基路面连接带出现纵向开裂，此类主要出现在路肩或路面边缘带；二是加高路堤造成水热平衡状态改变，路基路面产生过大附加拉应力，导致纵向开裂，此类多发生在路面中央部位或附近，而且规模很大。根据1997年以后青藏公路的调查资料，纵向裂缝主要分布在一、二期整治工程的高路堤路段，纵向裂缝的数量、所占比例和裂缝规模明显大于八五改建工程路段，且随着时间的延长在不断增大。为了治理路基沉陷，保户路基下多年冻土，一、二期整治工程采取了大幅增加路基高度的措施，改变了路基的水、热平衡状态，使路基受力状态改变，路基因冻胀产生的横向拉应力增大啊，是一、二期整治工程纵向裂缝分布广泛和规模大的主要原因之一。另外，路基增高的过程也带来了路基的加宽，新老路基的沉降特性不同，衔接部位的沉降差异也是一、二期整治工程路段纵向裂缝多的原因。2.3冻土地区沥青路面病害裂缝是青藏公路沥青路面上较为普遍的破坏类型，约占整个破坏的三分之一，主要有纵向裂缝、横向裂缝、块状裂缝和龟裂等。裂缝的出现主要与行车荷载和环境因素有关。青藏公路沥青路面的损坏是冻土地区特殊的自然条件、不断增大的交通荷载、设计施工不当等综合作用的结果。交通荷载，特别是近年来不断增加的重载交通，加大了破坏的速度。复杂的地质条件，水温状态的变化及水冰的迁移和荷载反复作用，使路基路面在使用过程中出现不稳定状态。此外，路基和基层压实不足，多年冻土的上限下移，以及融沉加剧，造成路基严重变形。强烈的太阳辐射作用，使路面沥青混合料品质下降，而强烈的昼夜温差、极快的温度变化速率、雨雪冰融交替等加速了路面破坏过程。青藏高原冻土地区沥青路面病害产生的原因可以归结为气候因素、交通荷载和材料与结构特性等三个方面。冻土地区公路路面特殊的使用和施工条件使路面设计与施工具有明显的特殊性，对路面材料与结构提出了一些特殊要求：①冻土地区沥青路面材料设计中，应以低温特性为主，对路面基层与面层混合料的低温强度、低温抗裂等特性提出更高要求。②路面不均匀融沉变形在路面结构内产生附加应力，因此要求提高路面材料的抗变形能力。③冻土地区路面使用中经受频繁冻融循环和强辐射作用，影响程度明显高于一般地区，要求路面材料具有更高的抗冻耐久性，面层沥青混合料还要具有良好的抗老化能力，以延长路面使用寿命。④冻土地区路径及的不均匀融沉变形，使路面结构产生不可忽视的附加应力，因此，还应考虑路基不均匀融沉变形的影响。3冻土地区路面基层与结构组合基层是路面结构组合的重要层次，主要承受冰传递由面层传来的车辆荷载的竖向作用，起到扩散路面荷载、减小路面变形、防止或减缓路面病害出现等作用。冻土路基普遍存在融沉变形，均匀的融沉变形对路面结构的影响较小，而不均匀变形会使路面结构内部产生较大的附加应力，同时在行车荷载的反复作用下，将使路面出现早期破坏。有时融沉变形引起的路面破坏甚至比行车荷载要大。因此，冻土地区公路路面结构设计中，在考虑行车交通荷载作用的同时，还应重视冻土路基不均匀融沉变形的影响。沥青路面的合理结构组合要根据行车荷载和自然因素对路面的影响，路面个结构层的工作特性与相互制约关系以及施工技术综合确定。冻土地区独特的气候、地质等条件决定了该地区沥青路面的使用要求。沥青路面的吸热导致路基热融沉陷，路基的不均匀融沉变形在半刚性基层产生较大附加拉应力，影响沥青路面的使用性能，因此，冻土地区路面结构组合中，除了遵循一般地区路面结构组合设计原则外，还需考虑以下要求：①减小路基不均匀融沉变形在路面结构内引起的附加应力，提高路面结构抗融沉变形能力；②较小路面结构吸放热的不平衡，减少沥青面层吸收的热辐射向下传递，改善路面结构的导热性能，以保护冻土；③提高路面结构的抗反射裂缝能力。冻土路基的沉降变形主要有填土的压缩沉降变形，季节活动层的压缩和热融沉降，以及多年冻土上限下移后的热融沉降，其量的大小与冻土类型、土质状况、地温、含水率、路基排水状况、地基融深、路堤高度等有关。在保证路基施工质量，有效控制路基容许变形的前提下，冻土路基的不均匀沉降变形主要是路堤下冻土地基的融沉变形。利用弹塑性固结有限元分析程序，可对冻土路基不均匀融沉变形进行计算分析。研究表明，多年冻土地区沥青路面的吸热作用是产生路基不均匀融沉变形的主要原因之一，沥青路面下每年暖季所吸收的热量大于冷季放出的热量，路基中每年形成热量积累，冻土上限逐渐下降，导致路基产生热融沉陷。因此，在多年冻土地区沥青路面结构组合设计中，要采用适宜的结构层改善路面的导热性能，减少沥青路面对路基不均匀融沉变形的影响，同时也有利于冻土保护。级配碎石层可以减少沥青面层吸收的热量向下传递，改善多年冻土地区额路基热稳定性，从而延缓冻土上限的下降速率，起到主动调节改善多年冻土地区沥青路面结构导热性能和路基温度场，保护冻土的作用。参考文献[1]马骉王秉纲.冻土地区路面基层结构与材料.人民交通出版社，2007.[2]徐学祖.冻土物理学.科学出版社，2001.[3]长安大学.高原多年冻土地区路基路面典型结构研究报告[R].西安：长安大学，2001.[4]周幼吾.多年冻土地区公路工程.北京：人民交通出版社，2005.[5]简斌.冻土对公路工程的危害及应对措施.岩土工程，2005.[6]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面.人民交通出版社，1999.[7]张起森.道路工程有限元分析法.人民交