多年冻土地区路基防护

天然条件下季节融化层类似保温层
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
Warm
碎石层边坡冷却地基原理
Cold（冷）
Warm（热）
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
片石气冷路基结构
5.0m 0.4m
30.0m
3.0m
30.2m
7.2m
C D 1:1.75E
3.4m I
F
30.0m
5 .0m
A
BC BB
II V
III
N
IV
GH
3m HI
30.0m J
I K
M
L
0.4m 30.0m
3.0m
30.0m
A B' N M
24.0m
7.2m
1.4m
E 3.4m F
C'
D 1:1.75
I
C
V
II
B
III
IV
0.4m
G H'
H
V
30.0m
I
I' J
K
L
1.片石气冷路基
遮挡式路基结构
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Leabharlann Baidu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。
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。
太阳 辐射
上限上升 上限基本不变
上限下移
季节融化层 多年冻土层
多年冻土上限
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
聚集（截水沟）。减少冻胀量和融沉量。
遮阳板结构
病害整治主 要工程技术
片石气冷边坡和护道
遮阳棚路基
热棒路基
三. 主动冷却地基土体的工程结构
块石路基原理 块石层冷却地基原理
Cold
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
4
挡水埝
0 天然上限
-4
拉萨
单位：米
8
16
24
32
40
48
56
64
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。
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。
【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。
太 阳 辐 射
季节融化 层
上限附近冰 层
天然地面
天然多年冻土上 限
多年冻土层
天然地面
多年冻土上 限附近冰层
多年冻土上限
【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
【片石气冷+碎石护坡路基效果】集其他两 种之优点，效果更好
3.0m
青藏铁路片石 气冷路基结构 的应用及效果
块石层路基试验段 碎石层边坡实景
块石层路楚基玛实尔景河地区片石气冷路基+碎石护坡
块石层路基施工
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。
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
3.碎石边坡路基
30.0m
A B' N M
24.0m
7.2m
1.6m
E 3.4m F
C'
D 1:1.75
I
C
II
V B''
B
VI
III
IV
0.8m
G H'
H
V
30.0m
I'' I
I' J K
L
2.片石层+碎石护坡路基
3.8m 1.2m
0.4m 30.0m
【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。