特殊条件下的路基施工二多年冻土

特殊条件下的路基施工二多年冻土

第五章 特殊条件下的路基施工 第二节 多年冻土地区 路基施工 一、冻土的概念 在高纬度和高海拔地区，气候严寒，地面以下一定深度的地温，经常保持在 0℃ 以下，含冰的土持续三年或三年以上不融化，称为 多年冻土 。 在多年冻土地区的地表往下一定深度的土层（一般 3m 以内），暖季融化，寒季冻结，随季节而变化，循环不已，此土层称为 季节融冻土层 ，多年冻土与季节融冻层的交界处称为 多年冻土的上限。 季节融冻层能保持多年冻土层的顶面经常处于负温状态，使其有一个较稳定的上限，所以这个季节融冻层是天然的保温层。如果破坏了它，或在上面加土覆盖，都将引起多年冻土的上限温度升高或降低。在路基施工中，总要改变这季节融冻层的状态，融冻层改变后，常以人工保温层来恢复原有的温度，防止可能产生的冻害。 天然地面 天然多年冻土上限 上限附近冰层 季节融化层 多年冻土层 太阳辐射 【 冻土区筑路技术问题难度 】 自然条件的变化（气温升高）和工程活动热影响，使多年冻土发生变化（地温升高、上限变化），体现在工程上就是冻胀融沉变形影响工程建筑物的稳定。 【 冻土区筑路技术核心 】 通过相应的工程结构和工程措施控制多年冻土层温度，控制多年冻土的活动层（季节融化层）变化，从而控制活动层的冻胀融沉变形，使其上工程建筑物在运营过程中的变形控制在允许范围内。 因此， 控制冻胀融沉变形是冻土区筑路技术的核心问题 。 天然地面 多年冻土上限 多年冻土上限附近冰层 太阳辐射 季节融化层 多年冻土层 多年冻土上限 在多年冻土区修建铁路的原理： 天然条件下季节融化层好像一层保温层，保护着多年冻土处在冻结状态 修建铁路路基时，压实地表或铲掉植被、路堤填土或其他结构形式，均改变了原来季节融化层保温效果，有可能使多年冻土发生三种变化： 1 上限下移， 2 上限基本不变， 3 上限上升。上限下移造成较大冻胀融沉变形。 修建铁路采取各种措施，使多年冻土上限不下移，保证工程建筑物稳定 修建铁路后可能发生三种情况： 1. 上限下移， 2. 上限基本不变， 3. 上限上升 上限下移 上限基本不变 上限上升 天然条件下季节融化层类似保温层 二、施工基本原则 在路基工程中破坏了多年冻土的热平衡条件后，常用人工建筑材料保持多年冻土的冻结，叫做 保温法 。 在多年冻土地区的边缘，若多年冻土层不厚，温度高而不稳定，则挖除冻土，使路基坐落在可靠的基底上，叫做 破坏冻土法 。 治水有防止地表水渗入结构物地基（地面排水、挡水埝和保温防融），阻拦地下水向结构物地基附近聚集（截水沟）。减少冻胀量和融沉量。 遮阳板结构 片石气冷边坡和护道 遮阳棚路基 热棒路基 病害整治主要工程技术 块石层冷却地基原理 Cold （冷） Warm （热） 碎石层边坡冷却地基原理 三 . 主动冷却地基土体的工程结构 片石层顶部温度低于底部－对流蓄冷 片石层顶部温度高于底部－接触热传导 片石空隙阻止热量向下 总体类似热开关或热二极管作用，年度 热量收支冷量积累占优 碎石层外部温度低于底部－对流蓄冷 碎石层外部温度高于底部－接触热传导 碎石层边坡沿坡面的烟囱效应 总体类似热开关或热二极管作用，年度 热量收支冷量积累占优 块石路基原理 片石气冷路基结构 【 片石气冷路基效果 】 与普通路基相比，通过基底传入地基土体冷量大 2 － 4 倍。由于片石层的应力扩散作用，还能有效的抑止路基变形，而几何尺寸不对称片石层可以减少横向变形差异。 【 碎石边坡路基效果 】 具有与片石层一样的冷却效果，另外减少了通过边坡传递的太阳辐射热，减少了各种自然因素对边坡的侵蚀。 【 片石气冷 + 碎石护坡路基效果 】 集其他两种之优点，效果更好 1. 片石气冷路基 2. 片石层 + 碎石护坡路基 3. 碎石边坡路基 块石层路基试验段 碎石层边坡实景 青藏铁路片石气冷路基结构的应用及效果 块石层路基施工 块石层路基实景 楚玛尔河地区片石气冷路基 + 碎石护坡 热棒路基原理 热管（热棒）技术是 60 年代初发展起来的一种广泛用于土木工程中的冷冻技术。它无需外加动力源，实际上是一种无芯重力式热管。热管（热棒）路基，他的特点在于充分利用自然能源，在温差作用下驱动内部制冷工质的汽液两相对流循环，通过蒸发段蒸发吸热作用降低周围冻土温度，增加冻土本身的冷储量，提高冻土的热稳定性。 热棒作用原理 重力、温差驱动、无源制冷。工作条件：环境温度低于蒸发段土层温度 热棒作用效果 图中深蓝色－天蓝色 －湖蓝色为热棒降温 区域变化图。 热棒路基实际作用效果 冻土区路基坡向不同，基底多年冻土上限变化形态不对称，坡脚打入热棒后，可以改变这种不对称，减少路基变形差异。 遮挡式路基结构 【 遮阳棚原理 】 用具有一定强度，反射性能好的材料，阻挡太阳辐射热能进入路基本体 【 遮阳棚效果 】 遮阳棚内沿路基的整个横断面年平均气温远远低于外部空气，棚内地表平均温度比棚外地表温度低 5 － 8℃ 左右。冻土上限有效抬升，多年冻土年平均地温有效降低。抵御未来气温升高的能力提高。 最早提出遮阳棚理论设想的俄罗斯科学家康德拉季耶夫的设计思路 【 遮挡式路基结构种类 】 遮阳板边坡 遮阳棚路基 唐古拉山区遮阳棚 1997 年开始，中铁西北科学研究院与俄罗斯专家合作在风火山进行遮挡式路基结构研究， 2002 年青藏公司和中科院开始在北麓河进行研究。研究结果表明这种结构大幅度降低地表温度，提高多年冻土上限，冷却地基土体的效果非常好是未来青藏铁路运营阶段病害整治的有效技术措施之一。 通风管路基 【 原理 】 通风管埋设到路基土体中，增加土体与空气的接触面，增加传入地基土体的冷量，积极主动的降低地基土体温度。为减少暖季通过通风管流入地基土体的热量，管子两端可以安装温度自动开启风门。 【 效果 】 上通风管路基与一般填土路基类似，下通风管路基是地基土体整体温度降低，地温场分布对称性好，可以减少横向变形差异。 【 结构 】 根据通风管埋设在路基部位不同可以分为上通风管路基和下通风管路基 热棒＋保温板复合结构 【 原理 】 路基本体铺设保温材料，可以增大热阻，减小外界热量对冻土地基的热干扰，其作用有正负效应，正效应达到隔热，防止冻土地基土体升温，负效应则阻隔了寒季冻土地基冷储量增加。热棒作用原理恰恰是在暖季不工作，寒季可以通过管内气液转换过程的吸热原理，降低周围土体温度，增加地基土体冷储量，在保温板下方插设热棒，既可以在暖季利用保温板的隔热减少传入地基土体热量，又可以在寒季利用热棒的制冷功能增加地基土体冷储量。 【 结构 】 根据保温板在路基中埋设位置不同（上部和底部），结构形式分两种（热棒只能设在坡脚处）。 北麓河实体工程 施工过程示意图 被动保温结构的局限性 等效保温层原理和路基最小填筑高度 保温板路基 修建铁路路基时，压实地表或铲掉植被、路堤填土，改变了原来季节融化层保温效果，一般采用等效保温层原理，利用增大热阻，即增加路基填土高度的方法达到等效保温效果，地基多年冻土不致破坏。能够达到原来季节融化层保温效果的最小填土高度，称路基最小填筑高度。他受当地气候条件、填土种类影响而变化。设计暂规规定了不同地段、不同填土种类的最小填土高度。 路基上部或底部埋设一定厚度保温板（聚苯乙烯、聚胺脂泡沫板等），阻止热量传入地基土体，这种路基结构称为保温板路基。 在低温冻土区，应用在低路堤、路堑能起到积极的效果，因冻土，地基有足够的冷储量保持冻土上限或使上限上升。对于高温冻土区，冻土地基的冷储量有限，缺乏寒季的冷能补给，不利于冻土保护。 有部分越岭地段，受线路纵坡限制，路基填土高度达不到最小填土高度，有时采用一定厚度保温板等效代替土层厚度，如果是在高温冻土区，为了保证冻土的冻结状态不致于受到破坏，应采取热棒＋保温板复合结构。 局限性 土护道＋普通土路基 土护道上裂缝 土护道＋普通土路基上裂缝 这种结构形式的路基，虽然由于土层的保温作用，在一定时间内也可以使基底多年冻土抬升，但是在高温冻土区，抵御未来气温升高影响的能力很差。而且由于几何尺寸的缺陷，基底多年冻土抬升后的形态不对称，容易造成横向变形不均匀，加上土体本身抗拉伸变形能力差，进而发展成为纵向裂缝。 目前，青藏铁路冻土区已经不再使用这种工程结构，已经存在的这种路基已经采用不同结构形式进行补强。 冻土区桥梁基础种类和应用 高温高含冰量冻土区， “以桥代路”普遍应用，和一般冻土区桥梁一样，主要采用灌注桩基础，桩的承载力主要由冻土的冻结力形成。由此引发冻土区桩基施工如何减少对冻土热扰动、缩短回冻过程、尽早形成承载力和承载力形成的不同阶段如何安排后续工序等一系列关键施工技术问题。 清水河“以桥代路”特大桥 三、施工注意事项 1 、多年冻土地区气候寒冷，有利于施工季节短，精心组织。 2 、严格保护多年冻土的路堤基底、路堤两侧天然护道范围内的植被。 3 、施工过程中注意路基排水。 4 、注意临时保温。 5 、注意保护环境。 此次课程很多东西借鉴了青藏铁路施工技术材料，感谢 青藏总指专家咨询组