多年冻土地区路基稳定性技术研究

目录

一、研究的目的与意义 (1)

1.1 面临形势与考验 (1)

1.2 研究背景与意义 (1)

二、研究内容与技术路线 (2)

2.1 研究内容 (2)

2.2 技术路线 (2)

三、研究成果 (3)

3.1 多年冻土地区路基病害及其原因 (3)

3.2 气候地质地貌与路基稳定性的关系 (4)

3.3 冻土路基温度场特征研究 (4)

3.4 一般路基横断面结构研究 (5)

3.5 调控地温的特殊结构路基研究 (6)

3.6 冻土路基稳定性评价研究 (8)

3.7 多年冻土地区路基设计与施工技术研究 (8)

四、创新与突破 (9)

五、人才培养 (9)

六、问题与建议 (9)

七、致谢 (10)

一、研究的目的与意义

1.1 面临形势与考验

随着西部大开发战略的不断深入和东北振兴战略的推进，我国寒区道路工程建设正处于蓬勃发展的势头，青藏高速公路已经列入国家规划，青藏公路“十一·五”改建完善工程国家已批准建设，西藏高原以及东北地区的寒区道路建设都处于跨越式发展时期。从已建成的交通基础设施包括公路、铁路、管道等运营效果看，多年冻土工程建设面临着许多新的问题。尤其在高温冻土区，如何在解决冻土路基热稳定性的前提下，保持路基工程的长期稳定性，是目前冻土区道路工程研究的重要课题之一。同时，多年冻土地区的路基变形问题，特别是高温多年冻土区的公路路基的热融下沉问题，是至今还未彻底解决的一大难题，而且以宽幅路面为特征的高等级公路，对路基的热扰动更为强烈，所引发的工程问题也将更为复杂。这些都是寒区道路建设中急需解决的关键技术与难题。

同时，由于全球气候异常，受印度洋和孟加拉湾暖湿气流影响，青藏高原气候环境进入了一个相对湿润和气温转暖的时区，促使多年冻土退化趋势加剧。随着西部大开发战略的实施，人类活动的影响在不断升级，全球气候转暖对多年冻土的影响正逐渐显现，路基下的冻土迅速退化。据调查青藏公路高温、高含冰量多年冻土区路基失去稳定性而产生严重的热融沉陷及纵向裂缝等病害累计长度已达60多公里。但对于全球气候背景下多年冻土变化趋势预测，公路工程作用下多年冻土变化预测，以及两种状态叠加后，公路路基下多年冻土的变化趋势预测，多年冻土变化后公路工程如何来适应这种巨大的变化等问题目前仍缺乏系统研究，此类问题也将成为多年冻土区路基设计必须考虑的关键问题。

1.2 研究背景与意义

地球上多年冻土分布面积约3710万平方公里，占陆地面积的25%，我国多年冻土的分布面积约215万平方公里，位居世界第三。公路是多年冻土开发与建设的先驱，开展多年冻土地区路基稳定性技术研究，对多年冻土区的开发与建设，确保多年冻土地区公路交通基础建设的顺利实施，对加快中西部经济建设，推动中西部国民经济发展等，有着十分重要的意义。

我国多年冻土地区，地域辽阔，人烟稀少，是欠发达地区之一。由于特殊的历史、自然、地理、社会等各方面因素的影响，多年冻土地区经济开发建设活动受交通基础设施落后的制约。青藏高原和东北大、小兴安岭地区，丰富的铁矿、铬铁矿、铜矿、湖盐、硼矿、水电、森林，以及前景广阔的石油、天然气等等自然资源，都具有很高的开发和开采条件及重要的经济价值，但由于受交通基础设施滞后的制约，不仅使这些资源的开发利用程度非常低，而且严重影响着多年冻土地区国民经济的发展。

随着贯彻实施党中央、国务院关于西部大开发的战略决策，西部公路交通基础设施建设进度明显加快。在多年冻土广泛分布的西藏、青海、内蒙、新疆、黑龙江等省区，近几年来投入大量资金进行公路交通建设，而这些公路（中尼公路、新藏公路、黑北公路等）穿越多年冻土区的路段也占有相当比例，若不考虑多年冻土这一特殊地质条件，不考虑当地的气候特征与地质特点，不仅会给公路建设本身带来极大的困难，也将使建成的公路产生严重破坏，同时给国家造成巨大经济损失和不良的社会影响。

长期的工程实践表明，多年冻土区公路成败的关键在路基工程。冻土路基的稳定性受到气候变化影响下的冻土环境变化的极大威胁。近年来，冻土退化已被诸多的研究结果所证实。气候转暖直接影响冻土工程环境，对于正在运营的建筑物，将增大冻害的破坏强度和数量，而对于拟建的建筑物，这种不稳定的寒区工程环境将增加建筑物设计原则的选取及冻土稳定性确定的难度，使寒区建筑物的工程建设面临着严峻的挑战。因此要保证冻土路基的稳定，就必须预测全球气候变化背景下冻土的变化，预测工程作用下冻土的变化以及预测两种因素叠加后冻土的变化及工程稳定性，采用积极有效的保护冻土措施，即冷却地基的办法。为此，

在了解气候-工程-冻土相互作用规律的基础上，研究开发新的地温调控技术，提出能冷却地基的新的路基结构形式、设计原则及设计参数，是党务之急。

我国广大的多年冻土区，绝大部分属于未开发的处女地，本课题的研究成果，是多年冻土区公路建设的关键技术，不仅有着广泛的推广应用前景，对加快中西部经济建设，推动中西部国民经济快速发展等，都有着十分重要而深远的意义。

二、研究内容与技术路线

2.1 研究内容

根据合同要求，本课题主要研究内容包括：

●气候、地质地貌与路基稳定性的关系；

●多年冻土路基合理高度；

●多年冻土路基合理的结构形式；

●冷却多年冻土路基的工程措施；

●过渡段路基设计；

●路基施工季节、修筑技术和质量控制。

2.2 技术路线

为保障本项目的顺利实施，保证最终研究成果质量，课题组研究制定如下技术路线：（1）野外定点观测与调查

青藏公路科研继承下来的11个地温、路基变形观测断面将作为本课题研究修筑路基后下伏多年冻土动态变化趋势预测及其由此诱发沉降变形分析的主要观测场地之一。

增设青康公路沿线测温孔并开始连续地温观测，在典型路基结构路段（不同路基高度、沥青路面段、水泥路面段等）补充变形测量。这些观测将主要用于研究高温多年冻土区冻土退化规律及其对公路路基稳定性的影响。

依靠GIS（地理信息系统）、RS（遥感）等技术进行冻土环境、工程环境变化的监测。

（2）实体工程试验研究（依托工程）

完成本课题主要依托的工程项目为：2001～2003年实施的青藏公路整治改建工程和仍在实施科研观测的青藏公路试验工程等。

青藏公路整治改建工程，由国家投资11.7亿元。整治路面累计长度779.06km，其中路面补强642.57km，整治路基病害和改建路线136.402km。由中交一公院在2001年完成勘察设计，2002年5月正式开工，计划2003年建成通车。该课题实施的目的之一是治理青藏公路多年冻土区由于路基失去稳定而产生的病害，特别是高温高含冰量多年冻土区的路基产生严重的热融沉陷、纵向裂缝等等，为探讨多年冻土区公路路基稳定性的工程措施，不仅采用了一般提高路基的设计方案，还设计了EPS板隔热层、热棒制冷及片石通风路基、碎石护面等试验工程，这些都是本课题研究稳定技术的基本要求。

●保温处理试验观测场

在青康公路铺设保温材料的试验路段选择2～3个代表性断面布设地温、浅地表温度、保温材料上下面温度等观测断面，研究保温处理措施防止或延缓多年冻土上限下降的可行性和有效性。在该试验段同时开展路面改良实体试验研究。

●碎石坡面、硅藻土护坡试验观测场

选择2个典型路段在公路两侧分别铺设50m抛石护坡和硅藻土护坡，布设地温、护坡底面温度探头，研究抛石护坡、硅藻土护坡保护多年冻土的效果及原理。

●片块石路基试验场

在抛石护坡试验段附近修筑50m片块石路基试验路段，于片块石路基内、路基下以及天