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[施工] 冻土对公路工程的危害及应对措施丨作者:杨勇 [复制链接]

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白白的小白 发表于 2012-12-7 16:58:17 |显示全部楼层 |          |
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  摘要:本文详细论述了公路工程中遇到的冻土问题,从冻土的概念与分布,冻土对公路工程的危害及其作用机理,并结合工程实际论述了解决冻土问题的工程措施。
. L, ^, b5 `% M% w$ A  关键词:冻土, 融沉 , 冻胀 ,解决措施" z0 ~: w  `. ]/ f
  Abstract: this paper discusses the highway engineering problems encountered in the permafrost, the frozen soil of the concept and distribution, frozen for highway engineering of the harm and the mechanism, and discusses the practical engineering problems to solve the frozen soil engineering measures.
% O/ c  A  \+ q& _$ `  Keywords: frozen soil, thaw, frost heaving, solution measures7 c2 n+ r2 f  s3 p4 b
  中图分类号:TU74 文献标识码:A 文章编号:  g- X4 c  t" L" z
  一、冻土概念
! @1 s! e, x, N, t% R2 m6 h  所谓冻土是指温度下降到零度或零度以下,土壤里的水分就会凝结成冰,并将土壤也冻结在一起,形成一层坚硬的冻土层。冻土有季节性冻土和多年冻土。当天气变暖时冻土层就会融化,我们称这种冻土为季节性冻土。持续多年不化的冻土,那就是多年冻土。' F7 Y6 l+ A* h: @$ x+ l* @
  冻土的存在主要受温度的影响。纬度越高的地方温度就越低,因此多年冻土主要分布在亚欧大陆和北美洲的北部。此外,从地面往高空,越往高处温度越低。如美洲的安第斯山脉,非洲的乞立马扎罗山以及我国的青藏高原,那里的坡地、山峰终年积雪。/ N' K: x" ~8 X2 f
  我国多年冻土面积占国土面积的22.3%,居世界第三位。其中高纬度多年冻土主要集中分布在大、小兴安岭,面积为38-39万平方公里;高海拔多年冻土分布在青藏高原、阿尔泰山、天山、祁连山、横断山、喜马拉雅山以及东部某些山地,居世界之最。' S: c" _" W7 m: `6 Q0 }& W7 f- n
  二、冻土的危害
$ V) p" X8 N" K1 H$ Y6 U  冻土是一种对温度极为敏感的土体介质,含有丰富的地下冰。由于水分产生迁移并具有相变变化特征,因此冻土具有流变性。其长期强度远低于瞬时强度特征,并具有融化下沉性和冻胀性。这些特性造成了在冻土区修筑工程构筑物时面临的两大工程问题:融沉和冻胀。其中,路基、桥涵、隧道等都会受到这两大工程问题的困扰。' B! m1 R  k8 g& j
  1、“融沉”是指由于在多年冻土区修建的公路、桥涵等结构物改变了该地区的冻土环境,在温度升高的时候,冻土就会融化下沉,使得它上边的路基、桥涵结构物也随之发生不均匀沉降,从而在结构物里边产生裂缝,影响其使用性能。
* I) L/ E1 X% w1 u, N# x  2、冻胀与融沉恰恰相反。“冻胀”是指在冬天温度降低的时候,冻土体积发生剧烈的膨胀,从而把它上边的结构物顶起,导致在冻土上修建的建筑物常常产生裂缝。如俄罗斯西伯利亚铁路因冻土病害经常不能正常通车,能通车时平均时速也只有40多公里。
( {9 v1 b9 h6 A  k( h" H, f. s" c  世界上几个冻土大国,都已经对冻土进行了大量的研究工作,取得了宝贵的科研数据。我国早在20世纪60年代就开始对冻土进行了多学科、综合性的科学考察研究,现在无论是宏观冻土学研究还是微观冻土学研究,都已走在世界冻土研究的前列。但是,冻土对已建工程和在建工程都还是一个相当大的威胁。如青藏铁路二期工程之所以迟迟未动工,除经济方面的原因外,对冻土的认识和对冻土病害的防治水平也是一个主要因素。& e# X9 y+ Z+ o  E  k% Z
  三、应对措施
+ ?6 ^* J  C# B& m1 ]- Q  针对冻土问题,各国科学家提出过很多的处理措施和方法,但冻土作为一个世界性的科学难题,单一的措施将很难取得好的效果,必须根据各地的自然气候条件、土壤地质等条件进行合理的设计、施工与管理,才能保持工程结构物的稳定及其使用性能。
, k% e- Y/ r, C: l; o  U1 z$ U* r# k  1、在设计阶段,根据不同的工程地质条件,土建工程采取不同的设计原则:
$ P" S" X3 M! I$ I. L' ~4 w  (1)、在年平均地温较低的稳定型多年冻土区应采取保持地基冻结状态的设计原则;0 z2 i1 B* Z  f+ j# v% g& ?
  (2)、在年平均地温较高、含冰量较少、基沉降量可以得到有效控制的地段,采用施工及运营期允许融化的原则;
% ^2 n1 k6 p& ^) _! _5 t/ S  (3)、在极不稳定的冻土地段,可采用铺设保温层、通风路基、清除富冰冻土、热桩、以桥代路等综合技术措施;0 m% ~( [3 s! @9 }# b& c. `
  (4)、在不融沉或弱融沉的少冰冻土、多冰冻土地区可采取不考虑建筑物热力影响的常规设计方法;! ^  X9 G2 L5 H
  (5)、在各类冻土地区都必须加强对冻土的环境保护,对取、弃土场和路基填筑方式等制定严格的技术要求。
2 ~2 I9 s! c6 }6 O  2、施工阶段,在冻土地区主要可以采取以下几种措施来保持路基的稳定:9 G! J# i8 M+ W( W0 u  g- m7 ?+ H/ S
  (1)、适当提高路基填土高度,用天然土保温,这种方法价格低廉,可普遍采用。多年青藏公路实践经验表明,在多年冻土年平均地温低于-1.5℃时,采用加高路基方法就可保证路基稳定。而高于-1.5℃的地区, 多年冻土路基仅采用加高路基的方法是不能保证路基稳定的。因为高路堤填筑后,由于左右路肩、边坡的太阳辐射、地表湍流等地表与大气之间的热交换条件不同,使得路基的阳面地温明显高于阴面,因此阳面的融沉就大于阴面的融沉,出现路基阳面下沉、滑溜的现象。+ ^1 z; w/ t; G6 x4 q
  (2)、采取主动降温技术、减少传入地基土的热量、保证多年冻土的热稳定性,从而保证修筑在上面的工程质量的稳定性。主动降温技术有很多,应根据冻土状况的不同采取不同的工程措施:
# b+ f. R8 ?" u  ①、在稳定的冻土地段,采取以对流交换热为主要作用机理的抛石路基、碎石护坡结构,同时采用无源重力式热虹吸技术的工程应用—“热棒”路基结构等综合措施。% |$ z/ Y  O: y  p; i
  当采用抛石路基结构时,夏季来临时气温升高,抛石路基表面的温度上升,空气密度降低,而路基冻土中的温度较低,空气密度较大,这样热空气与冷空气就不易对流,无形中形成了外界与冻土的隔热层;冬天来临时,冻土路基的外界温度较低,空气密度较大,而路基冻土层温度较高,空气温度较低,将自然上移,与外界进行温度交换,无形中形成了热冷对流,使路基冻土层温度降低,保护了冻土的完好性。
# }1 i2 ]0 x  c0 L+ {  热棒制冷技术是一种利用液汽转换对流和循环来实现热量传输的系统,是无源冷却系统中热量传输效率最高的装置。它具有传热能力大、传热温差小、启动温度低、均温性能好以及单向传热和安全经济等特点。 热棒由一根密封的钢管组成,里面充以液态氮,钢管的上部装有散热叶片,称之为冷凝段,置于大气中;钢管的下部埋入地基多年冻土中,称为蒸发段。当蒸发段与冷凝段之间存在温差时,蒸发段的液态氮吸热蒸发成气体,在气压差作用下蒸汽沿管内空隙上升至冷凝段,与较冷的管壁接触放出汽化潜热,冷凝成液体。在重力作用下,冷凝液态氮沿管壁流回蒸发段再吸热蒸发。如此往复循环,将地层中的热量传输到大气中,从而降低多年冻土的地温,以防止多年冻土发生融化,从而达到改善路基土体力学特征的目的。( n* ]: L" U" g5 i7 x" k: G# ]
  ②、对于极不稳定多年冻土地段,可以采取“以桥代路”的工程结构,就是采取以桥梁结构代替公路跨越冻土地区的设计方案。如青藏铁路极不稳定冻土区“以桥代路”桥梁由原来设计的50多公里增加到120多公里。
3 B. _0 T$ U. [. z& \# a* l) S  (3)、在路基中埋设工业保温层(PU、EPS等),一般选择5~10cm厚的保温板,1993年在昆仑山等地推广使用,效果良好。7 f/ L" N1 N4 [6 n, z
  (4)、除以上措施外,我们还可以在路基中埋设通风管,桥涵工程采用桩基础等,同时建立完善的排水设施,防止地下冰融化导致的路基下沉。+ _0 d$ f- s* X, x6 x5 C  _
  四、结语
, }* T2 C; K+ {* s' Y6 K$ r  从以上分析来看,冻土对于公路、桥涵等工程有着相当大的影响,这就要求我们必须对冻土开展持续不断的科学研究,找出更加经济合理的解决办法。
  `# V! i6 ~. L( ~  f1 a7 V  参考文献:
  X1 I0 t7 z. x4 B4 B& B' C+ u6 B$ B; }5 H  [1] 中交第一公路勘察设计研究院.高原多年冻土地区公路修筑技术研究(报告集),1999
& P7 g! d, Y3 K) T& y! ^+ a1 _  [2] 李祝龙.青藏公路路基路面病害机理研究.《公路》,2001,8
' t2 }8 m2 @* G" s& `4 o, [5 q4 J6 P) e

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