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多年凍土路基病害原因與整治措施
2012-01-31 來源:中國百科網(wǎng)
1、研究背景及內(nèi)容

    全球多年凍土的分布面積約占陸地面積的23%,主要分布在俄羅斯、加拿大、中國和美國的阿拉斯加等地,其中我國的多年凍土分布面積高達215萬km2,約占世界多年凍土分布面積的10%,占我國國土面積的22.4%,是世界上第三大凍土大國,而我國的多年凍土主要分布在青藏高原、大小興安嶺、祁連山、天山和阿爾泰山等高山、高緯度地區(qū)。

    多年凍土是一種特殊土類。其特殊性主要表現(xiàn)在它的性質(zhì)與溫度密切相關。常規(guī)土類性質(zhì)主要受顆粒的礦物和機械成分、密度和含水量控制,多半表現(xiàn)為靜態(tài)特性。多年凍土的性質(zhì)除受上述因素控制以外,同時它的性質(zhì)隨溫度和時間都在變化,表現(xiàn)為動態(tài)特性。所以,凍土是一處對溫度十分敏感且性質(zhì)不穩(wěn)定的土體。

    隨著全球氣候的逐漸變暖和人類活動加強,多年凍土上限呈現(xiàn)出下降的趨勢,多年凍土也在不斷退化,對路基路面的穩(wěn)定也造成了極大威脅。關鍵的是凍土在凍結、融化時具有特殊的物理、力學性質(zhì)變化。土壤凍結時最重要的物理過程是水分的遷移和重分布,而凍土融化時最重要的是物理力學變化是結構、強度的急劇衰減。從而在凍融循環(huán)中不斷地改變著土層的形態(tài)結構和物理力學性質(zhì),導致工程建筑物基礎的反復變化與破壞。在大多數(shù)情況下,病害的發(fā)生發(fā)展過程與變化結果具有單向、不可逆的規(guī)律。

    凍土地區(qū)筑路工作中的問題除了一般寒區(qū)道路中常見的路基凍脹、翻漿路面凍融松散低溫開裂外,還有凍土地區(qū)特有的道路病害——路基熱融沉降、邊坡熱融滑塌。

    2、多年凍土路基病害

    2.1 熱融沉降(陷)

    因氣候轉(zhuǎn)暖,或森林砍伐與火災,或修建工程構、建筑物,特別是采暖型的建筑,破壞了原來地面的植被和熱力動態(tài),使其凍結與融化深度加大。導致地下冰或富冰土層融化,于是在上覆土層自重及建筑物荷載作用下,地基土便出現(xiàn)沉降或深陷現(xiàn)象,從而使建筑物無法正常運行,甚至破壞。這是多年凍土區(qū)各種建筑物遭受凍害的主要原因。

    2.2 融凍滑塌

    在地下冰發(fā)育的斜坡上,由于路塹工程或挖方取土,或河流侵蝕坡腳,使地下冰層或富冰土層外露,而不斷融化,造成上覆植被或土層失去支撐而不斷下滑。

    2.3 冰丘、冰椎、延溜冰

    在季節(jié)融化層中含有豐富的地下水層時,冬季地表凍結過程中,隨著地表凍土層增厚,由于下臥多年凍土層隔水,季節(jié)融化層中的地下水流受阻而承壓。當該孔隙水的壓力足夠大時,在地表較薄弱處即被不斷增加的受壓孔隙水頂托而逐漸隆起,形成丘狀體,稱之為冰丘;當?shù)乇韺硬蛔阋猿惺芩畨毫r,空腔水與孔隙水便破土而出,在地表漫延,并凍結成冰椎。

    延溜冰的產(chǎn)生主要由于公路上側土壤中的過飽和水分、泉水、溝溪中的水,在移動過程中,水流被下降的氣溫自下而上逐層凍結,水源不斷供給,形成較大面積的冰覆蓋層。延溜冰沿公路長度分布少則幾米,多達幾百米,冰的厚度有幾厘米到幾米。它一般發(fā)生在冬季或初春,持續(xù)的時間較長。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn),延溜冰多發(fā)生于林區(qū)、山嶺、坡地、溝谷,以及泉眼、河流附近,受氣溫、地形、凍深及水分條件影響。

    2.4 季節(jié)融化層的凍脹

    凍脹是凍土區(qū)筑路時需要考慮的另一重要病害現(xiàn)象,在多年凍土地區(qū),處于不良地質(zhì)、水文條件下的路段,路基土凍結過程中會發(fā)生水分遷移現(xiàn)象。水分不僅向凍結鋒面遷移,而且在凍結中凝結成冰,由于冰的密度略小于水,故在凍結的過程中伴隨著體積的膨脹,從而造成路基土的凍脹。凍脹的發(fā)生是需要兩個必要條件的,一是有充足的水分補給源,二是有水分補給的通道。

    凍脹本身不僅引起道路破壞,還可引起橋梁、涵洞基礎的凍害。這種病害在凍土地區(qū)早期修建的橋梁、涵洞工程中尤為突出,由于當時的工程技術人員認識和掌握凍土的自然規(guī)律以及未能及時采取防護措施致使橋梁、涵洞發(fā)生破壞。主要表現(xiàn)為基礎上抬、傾斜造成橋梁拱起,涵洞斷裂,甚至失效等破壞。

    3、多年凍土路基的病害成因分析

    3.1 融化盤的形成

    特別是高溫凍土區(qū)融化盤的形成是導致路基病害的主要原因之一。由于黑色路面吸熱,造成路基下凍土的正積溫增加,路基下凍土上限因各種因素增深,致使路基以下凍土的上限在橫斷面上形成一種“盤狀”的凹陷部分,即融化盤。

    融化盤的出現(xiàn)和存在,不僅促進了路基下融化盤內(nèi)水的自然匯集和蓄水,使融化盤上下的土體含水量或含冰量增大,而且使人為上限由初始的淺盤逐漸變成深盤狀。水的存在,使每年積累的能量在融化盤內(nèi)部夏季土體融化但冬季不能被凍結,這就出現(xiàn)了融化不凍核,也稱為融化夾層、不銜接層。融化夾層是一層含水量大、土的固結程度小、模量低的軟弱結構層,這對路基的穩(wěn)定性影響很大。

    3.2 偏移的融化盤導致路基不均勻沉降、縱向開裂

    由于路基陰陽面使路基兩側路肩下的地溫分布產(chǎn)生較大的差異,溫度場的不對稱又使得路基底部最大融深位置發(fā)生偏移,引起路基在橫斷面方向產(chǎn)生滑移、不均勻沉降和縱向開裂。

    3.3 路基及路基下融化盤內(nèi)含水量狀態(tài)變化對路基穩(wěn)定性的影響

    在大多數(shù)路基兩側破壞較為嚴重的路段,路基、地基的含水量較高,融化盤內(nèi)含水量發(fā)生變化,使路基產(chǎn)生較大的融沉變形,甚至在有些未整治路段能夠形成反拱變形。在路基較高的路段,由于路側地勢低洼積水等,導致路基產(chǎn)生不均勻下沉或縱向開裂。

    3.4 不規(guī)范施工導致路基產(chǎn)生縱向開裂

    路基施工中,個別施工單位對路基特別是加寬部分不挖臺階,直接傾倒填料,直至與舊路面齊平時才開始碾壓,壓實厚度達到1米多甚至2米多。不規(guī)范的施工方法無法保證路基加寬部分的壓實度,導致新舊路基的填土結合較差,從而造成路基的縱向開裂。

    3.5 路基或地基含水量過高

    含水量過高是導致路基翻漿的主要原因。在多年凍土區(qū),路基施工季節(jié)也多是高原的雨季,由于路基填料過濕,土質(zhì)含泥量較大,施工路面時未做徹底處理,將含水量大的土質(zhì)覆蓋于路面基層之下,隨行車荷載的作用, 路基產(chǎn)生翻漿。另外,在季節(jié)凍土區(qū)和多年凍土區(qū)中的融區(qū)公路,由于路基偏低,地下水、地表水侵入路基,在重型車輛荷載、凍脹及融沉的反復作用下,路基便會產(chǎn)生翻漿。

    4、路基病害處治措施技術研究

    4.1 排水系統(tǒng)(排水物、截水溝、擋水埝)

    它起引導和控制地表水徑流的作用,以防止和排除路基(堤、塹)兩側積水、滲透,最大程度地減輕路基土體在凍融過程中的各種物理力學性質(zhì)的變化。

    然而,設置地表排水系統(tǒng)就要破壞自然地表,如果不準確掌握地質(zhì)條件,就可能改變和破壞多年凍土的生存狀態(tài),反而引起新的病害。

    4.2 保溫護道

    保溫護道也是整治路基病害的一種常用措施。作用是加強對路基邊坡、坡腳處凍土的保護厚度,減少氣溫對多年凍土的影響程度和范圍;同時也起到防止路基坡腳積存水體和滲入的作用。

    但是,對護道的填筑材料、斷面結構形式和尺寸及防滲水能力要有周密的考慮和設計。然而,過去填筑的保溫護道明顯存在不足,多數(shù)已起不到保溫作用而失效。過去也曾采用過片石護道,但實踐證明,在多年凍土地區(qū)采用片石護道非但不能約束路基底的下沉側擠,反而加速了基底的融化下沉。它只能在不破壞凍土原則的情況下采用。

    對路堤和路塹邊坡的坍塌和熱融滑坍病害的工程措施,常用的有護道及具有支撐作用的護坡。護道主要適用于較高的路堤,可用成臺階式,主要針對由于季節(jié)性凍融界及過陡情況下的邊坡坍塌變形。而對于邊坡變形所采用的片石護坡則有過深刻的教訓即不具支撐作用的、較薄的無結構片石擴坡不能抵御凍融變形的破壞,反而加劇邊坡變形的程度。

    4.3 換土

    換土是整治路基凍害的一種常用而且有效的措施。它的關鍵是在病害地段挖除不良土層,換填與周圍無病害地段相同或性質(zhì)相近的土體。其作用是使一定范圍內(nèi)的土體在凍融特性方面取得一致,消除差異導致的病害。因此,只有在查明土層特性和工程量不大的情況下才采用。目前,這種情況已不是很多。

    4.4 凍結溝、積冰溝

    凍結溝、積冰溝主要適用威脅路基安全的冰錐、水丘和凍脹丘,是一種被動的防治措施。在查明地質(zhì)及水文條件后,可采用地下保溫滲溝或盲溝予以有效的根治,并且有較好的范例。但對其出水口要有必要的處理,遠離路基或加以保溫,防止凍結。

    4.5 XPS、EPS保溫板。

    XPS、EPS保溫板是一種強度很高、導熱系數(shù)小、吸水率小的聚苯乙烯泡沫板,它的作用是減緩和阻礙熱量的傳遞。將它埋設在路基下或護道內(nèi)可大大減少暖季時外部熱源向地下傳入,進而減少多年凍土上限的年變化幅度和病害程度。但在冬季時也阻礙了地層內(nèi)熱量 向外界的散發(fā),不利于多年凍土的恢復。所以,保溫板是一項中性土的措施,由于它的保溫性能好,仍在保護凍土的工程中廣泛應用,但要配合其他措施合理組合。

    4.6排水溝式軟管滲溝 。

    是一種有剛性骨架的柔性排水滲溝,地表做成排水溝形式,溝底埋設滲水軟管,軟管直徑為 200mm。可以防止一般排水溝易發(fā)生的淤塞和凍融變形的破壞,大大延長和保證排水溝的正常工作。

    4.7 通風路基

    通風路堤使用在多年凍土地區(qū)有條件的地方,用碎石或塊石填筑路基,利用填石路基的通風透氣性,實現(xiàn)保護凍土路基的作用。寒季,冷、暖空氣在路基中產(chǎn)生對流,冷空氣下降,侵入地表;暖季,熱空氣受下部冷空氣的阻隔,難以下滲,每年地基吸入的冷量大于熱量,因而起到保護凍土的作用,該措施適用于高溫不穩(wěn)定的多年凍土地區(qū)。

    對于凍土區(qū)地基土質(zhì)較好和承載力較高的段落,可以考慮埋設通風管,通風管直徑一般為20cm~50cm,為電鍍的金屬螺紋管,水平埋設在路堤坡腳下,通風管的進出口都有垂直于地面的鋼管或樁與之連接,一般高出地面50cm~100cm, 通風管埋設于路基體中,增加了路基體與空氣的接觸面,通過空氣在通風管中的流動,使通風管周圍路基體的溫度與氣溫趨于一致,減少路基體傳入地基的熱量,增加路基體傳入地基的冷量,保持多年凍土層及路基基底下季節(jié)活動層的凍結狀態(tài),維持路基體的穩(wěn)定。

    4.8 熱棒

    熱棒是一種利用氣液相變原理傳輸熱量的傳熱元件。它是由一根密封的金屬管與里面充裝的工質(zhì)組成。管的上部裝有散熱葉片,稱之冷凝段,置于大氣中;管的下部埋于地基多年凍土中,稱之為蒸發(fā)段。當蒸發(fā)段與冷凝段之間存在溫差(冷凝段溫度低于蒸發(fā)段溫度)時,蒸發(fā)段的液體工質(zhì)吸熱蒸發(fā)成為蒸氣,在壓差作用下,蒸氣沿管內(nèi)孔隙上升至冷凝段,與較冷的管壁接觸,放出汽化潛熱,冷凝成為液體,在重力作用下,冷凝液體工質(zhì)沿管壁回流蒸發(fā)段再吸熱蒸發(fā)。如此往復循環(huán),將地層中的熱量傳送至大氣中,從而降低了多年凍土的地溫,防止多年凍土發(fā)生融化,保證了地基的穩(wěn)定性。

    工作在地基中的熱棒只可能單向傳熱,即將地基中的熱量傳向大氣,而不用擔心它會將大氣中熱量向下傳到地基。熱棒的特點:①無需外加動力。②傳熱效率高。③無運動部件,運行無噪聲。④單向傳熱,暖及自動停止工作,故又稱二極管。⑤工作安全可靠,使用壽命 30年以上。⑥ 結構堅固,不易損壞,無需 日常維修養(yǎng)護。⑦無有害物質(zhì),符合環(huán)保要求。⑧啟動溫差小,蒸發(fā)器與冷凝器之間只要有很小的溫差即可啟動熱棒。

    5、多年凍土區(qū)路基凍害整治原則

    5.1 確定整治方案的總原則

    根據(jù)地區(qū)特點,查明多年凍土的特性,測取氣溫、地溫及水文條件等資料,并調(diào)查已有的不良物理地質(zhì)現(xiàn)象,來選擇和確定防治多年凍土路基特殊病害方案的總原則:一是保護多年凍土;二是破壞多年凍土。

    保護多年凍土,是采用具有保溫隔熱作用的措施,在消除引起病害因素的同時,而不引起多年凍土狀況的改變或恢復被破壞了的凍土狀態(tài),來保證路基 的安全。它適用于年平均氣溫和地溫較低(一般低于-1.5℃和 -1.0℃),多年凍土層較厚(大于10m),為富冰凍土或厚層地下冰,并較少受人為活動干擾的情況下。宜于在大片連續(xù)多年凍土區(qū)內(nèi)采用。

    破壞多年凍土是路基和建筑物在正常使用過程中,允許凍土融化或控制融化范圍、速度,而不產(chǎn)生不允許的變形和新的病害,保證路基和建筑物有足夠的強度和穩(wěn)定性。它適用于年平均氣溫和地溫較高 (一般高于 -1.2℃和 -0.5℃),多年凍土層較薄 (約 5—7m),且含水量較小或弱融沉性土層,多在島狀凍土區(qū)內(nèi)采用。

    5.2 綜合整治

    多年凍土區(qū)的路基病害是不良物理地質(zhì)現(xiàn)象和特殊病害多種自然因素(包括人為活動)長期、互相作用的結果。在整治病害中,應盡可能采取多種、配套的整治措施,有主有輔,使他們的作用互相配合和補充,消除其中的不利作用,才能達到較長遠的預期效果。

    5.3 保護環(huán)境

    多年凍土區(qū)路基施工,應重視多年凍土區(qū)自然環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的保護,減少對多年凍土環(huán)境的人為破壞。貫徹“預防為主,保護優(yōu)先,開發(fā)與保護并重”的原則。

    6、結語

    關于多年凍土路基的研究目前已經(jīng)取得了長足的進步,但是在許多方面仍然有待進一步的深入。多年凍土物理力學性質(zhì)的特殊性必然導致其產(chǎn)生熱融沉降、熱融滑塌、凍脹、冰丘、冰椎等路基病害。整治這些路基病害的優(yōu)化綜合措施,是傳統(tǒng)的排水設計和熱棒、保溫護道、保溫板、通風路基、排水溝式軟管滲溝等新技術、新材料的有效結合,其中的關鍵技術是設計合理的斷面結構形式和新材料新技術的應用,目的是杜絕地表水對路基基底的滲入所帶來的單向熱交換作用,恢復和形成基底最佳的人為上限形態(tài),達到徹底根治病害的目的。
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