多年冻土地区道路施工简析
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作者: 刘顺旭
摘要：通过对冻土地区公路的病害特征及原因分析,提出了解决多年冻土的工程及施工技术措施。
关键词：道路 冻土 公路 病害
在冻土地区修筑公路,由于冻土土质、温度、水及荷载的作用引起应力场的变化和重新分布,从而导致所修筑的路基、路面冻胀、翻浆、融沉;桥涵冻胀隆起和融化下沉、墙身开裂甚至错位等病害。如何避免冻土地区公路发生病害,一直是高寒冻土区筑路科技工作者探索和研究的课题。
1、多年冻土地区在我国的分布范围
我国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,如长白山、五台山等地。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,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。路基、桥涵、隧道等都会受到这两大工程问题的困扰。
2、冻土融沉与冻胀
“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,使其上面的路基、桥涵结构物也随之发生不均匀沉降,从而使结构物产生裂缝,影响其使用性能。比如说青藏公路自修建以后,经过了多次的改建,路面结构由砂砾路面改成了沥青路面。由于沥青路面的地表反射率比砂石路面减少15%～20%,而对太阳辐射的吸收率增加了20%,同时由于沥青路面结构的不透水性,阻碍了地表面的蒸发过程,使产生的蒸发潜热不能通过沥青路面表面散出,造成了沥青路面强烈的吸热作用,从而影响了冻土与大气之间的热量交换。而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,因此在冻土上修建的建筑物常常产生裂缝。
3、冻土地区公路的病害特征及原因分析
3.1翻浆。在高寒冻土地区,由于在土壤冻结过程中汇聚了过多的水分,且土质
状态不好,到春暖化冻时水分不能及时排出,从而造成土基软弱,强度降低。在车辆荷载的作用下,路面发生弹簧、裂纹、鼓包、车辙、唧泥等现象,称为翻浆。
3.2冻胀。高寒不良土质中所含的水分在负温下结晶,生成各种形状的冰侵入体
而导致土体积的增大。其主要表现是土层表面不均匀的升高。冻胀土与结构物基础之间主要产生冻结力和冻胀力(分为切向冻胀力、法向冻胀力、冻胀反力)。冻胀本身不仅引起道路破坏,还可引起桥梁、涵洞基础的冻害,特别对早期所修建的尤为突出。主要表现为桥梁墩、柱基础冻胀隆起,融化下沉,台身在切向冻胀力和法向冻胀力共同作用下出现裂缝,甚至墩(台)基础整体上抬或倾斜。涵洞冻害主要表现为洞身的冻胀隆起和融化下沉,端墙及八字翼墙圬工开裂及涵洞管节的错位和脱离。
3.3融沉。在多年冻土地区,由于地下冰层埋藏较浅,在施工及运营过程中各种
因素使多年冻土局部融化,上覆土层在土体自重和外力作用下产生沉陷,从而造成路基严重变形。主要表现为路基下沉,路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑,路堑边坡溜塌等。融沉病害多发生在低路堤地段。
3.4其他病害。除了以上几种常见冻害外,还有冰丘、冰锥、延流冰等,也容易
使路面产生纵向裂缝、横向裂缝和网裂等。
4、解决多年冻土的工程措施
合理控制路基高度,用天然土保温,是保护冻土最有效、最经济的方法,可普遍采用。在路基埋设工业保温层,埋设5～10厘米保温板效果良好。埋设通风管,就是在路堤中埋设直径30厘米左右的金属或混凝土横向通风管,可以有效降低路基温度。采用抛石路基,即用碎块石填筑路基,利用填石路基的通风透气性,隔阻热空气下移,同时吸入冷量,起到保护冻土的作用。“以桥代路”,工程效果有保证,但造价高。桥涵工程采用桩基础,满足防冻的要求。充分考虑冻融作用对隧道结构的影响,控制隧道开挖施工的环境温度,减少围岩冻融圈范围。采用合理的衬砌断面形式和钢筋混凝土衬砌结构,设置隔热保温层,减少围岩的热交换,减轻冻胀作用对衬砌的影响。按寒区隧道特点设置防排水系统,有效防止地下水的危害。建立完善的排水设施,防止地下冰融化导致的路基下沉。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、路基填筑方式等制定严格的技术要求。
在设计阶段,根据不同的工程地质条件,土建工程应根据不同情况,采取相应的不同设计原则: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;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;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;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;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、路基填筑方式等制定严格的技术要求。
5、施工技术措施
5.1天然土保温。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。青藏公路多年实践经验表明,在多年冻土年平均地温低于-115℃时,采用加高路基方法就可保证路基稳定。而高于-115℃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。
5.2主动降温技术。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。
6、结束语
冻土对于公路工程有着相当大的影响,我国又是一个冻土大国。今后,我们还要在冻土地区修建越来越多的公路、铁路、管线等,这就要求我们科技工作者必须要对冻土开展持续不懈的研究,找出更加合理经济的解决办法。当然,各个措施并不是孤立的,我们常常是将多项措施同时使用来解决一个具体的工程问题。
参考文献：
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【2】李祝龙等.青藏公路多年冻土特征及关键技术[J].道路科技信息,2001.3
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