青藏公路冻土工程(第一讲)

• 多年冻土与季节冻土在冻结过程中的水分迁移有
根本区别，因而，对不同类型冻土工程采取的处 理措施应不相同。
多年冻土
地表
季节冻土
地表
季节冻融层
季节冻融层
多年冻土上限 多年冻土 融土
冻（融）深度
冷源
深度
热源
深度
多年冻土区路基融沉与翻浆的基本原理
翻浆与 水分 翻浆与 水分
天然上限
季节活动层
融沉 人为 上限
二OO八年四月
多年冻土层
水、土、温
季节冻土区路基翻浆基本原理
水分迁移
最大 冻深
水、土、温
三、多年冻土分布
——全球多年冻土分布
• 全球多年冻土面积约占陆地面积的20%；
其中：
– 俄罗斯多年冻土面积1000万km2； – 加拿大多年冻土面积440万km2； – 中国多年冻土面积215万km2； – 美国多年冻土面积140万km2； – 挪威、芬兰、丹麦、智利等国家也有少量多年 冻土。
青藏公路冻土科研简况
1973~1979
1979~1975
路基、路面
地下冰分布规律
路基、路面、桥梁 1985~1999
2001~2007 工程地质、路基、路面 桥涵、数据库 高温高含冰量多年冻土区地基稳定性 创新工程措施：被动、主动及二者相结合 治理路基病害与治理环境相结合
路基稳定性问题的研究是长期的。
• 多年冻土的发育主要受海拔高度、纬度的影响，气候、地质地貌、土
质、地表植被等小区域条件对其也有较大影响。
• 欧亚大陆多年冻土南界：北纬62度；
• 我国东北多年冻土南界：北纬47~49度； • 年平均气温：0 ~ ± 1.0℃
高纬度多 年冻土
四、多年冻土分布的条件
• 多年冻土的发育主要受海拔高度、纬度的影响，气候、地质地貌、土
下降的最小填土高度。
h人：人为活动影响形成的新上限
h人=h天+H临
八、冷却冻土路基的工程措施
传统的：填土路基
交通科技发展战略提出：
提高公路交通设施全寿命的使用 品质，降低全寿命使用成本
填土路基 隔热层路基
填土
传统的
热棒路基
碎石（片块石）路基 通风管路基
＞ 创新型的发展 ＝
旱桥
浅色路面
八、冷却冻土路基的工程措施
二、冻土及其特征
——概念
• 冻土，一般指温度在0℃或0℃以下并含
有冰的岩土和土壤（不含冰的称为寒 土）。
– 多年冻土（永久冻土）
——冻结状态保持在两年至几万年以上的岩土和土壤
冻土 – 季节冻土
——冻结时间在半月至数月，还有一种短时冻土冻结时间数小时、数日以至半月
二、冻土及其特征
——多年冻土与季节冻土
六、多年冻土地区路基设计理念与原则
国际惯例：
保护冻土与破坏冻土（预融）
新的发展： （引入冻土地温）
保护冻土
｛
保护冻土（低温冻土） 控制融化速率（高温冻土） 垂直方向
破坏冻土（预融）
综合治理：垂直方向
→ ｛ 横断面方向
发展 方向
六、多年冻土地区路基设计理念与原则
• 保护冻土：保持多年冻土天然上限不下降
• • • • • • • •
全球气温转暧 多年冻土正在弱化或退化 黑色路面的强烈吸热 黑色路面封闭阻止热量蒸发 多年冻土对热扰动敏感性高 公路沿线冻土环境被严重破坏 路基施工期为高原雨季 高路基路段阴阳坡差异大
十二、高原多年冻土区对公路的客观条件 --------路面
• 紫外线强 • 气温低，日温差大（路面使用过程中） • 原材料品质差 • 路面施工期温度低 • 路面施工期为高原雨季 • 路基不均匀变形量大
十二、高原多年冻土区对公路路面工程对策
• 提高路面结合料的低温性能 • 选择优良的筑路材料 • 选择气温较高的施工季节 • 路面施工中采取保温、防雨措施 • 提高路面抗变形、适应变形的能力
十二、高原多年冻土区对桥梁、涵洞对策
• 设置合理的基础埋设深度 • 提高结构的抗冻性能 • 选择优良的建筑材料 • 设置适应变形能力强的结构 • 设置抗盐、碱性腐蚀强的结构
融化盘
季节活动层
多年冻土层 多年冻土天然上限
多年冻土人为上限
六、多年冻土地区路基设计理念与原则
• 破坏冻土：预融化多年冻土或将冻土清除
季节活动层
多年冻土层 多年冻土天然上限
多年冻土天然下限
七、多年冻土地区路基设计
• 填土路基：路基临界高度(H临)
H临天然Βιβλιοθήκη 限•H临 ：保持多年冻土天然上限不
人为上 限h人
十二、高原多年冻土区对公路的客观条件 --------桥梁、涵洞
• 地基冻融对桥涵基础的作用 • 桥涵施工气温低 • 原材料品质差 • 高含盐、碱水质对结构的腐蚀
十二、高原多年冻土区对公路路基的对策
• • • • • • • •
增大热阻 向路基底部输送冷量 构建开放式结构的路基 遮阳 恢复、治理公路沿线的冻土环境 选择水稳性好的筑路材料 消除高路基阴阳坡差异 加强路基防排水工程措施
青藏公路建设简况
• 1954年初通 路基高度: 0~0.3m(泥土或砂砾路面) • 1956~1958年第次一改建
路基仍不足0.5m (砂砾或泥土路面) • 1973~1985年第二次改建 路基高度0.5~1.5m,全线修筑沥青路面 • 1992~2000年 整治工程(684km) 路基高度1.8~3.5m 修筑SBR改性沥青路面 第一期整治工程(339km),1992~95年 第二期整治工程与零星整治工程(205km/60km)1996~99年 羊八井至拉萨改建工程(80km),2000~01年 • 2002~2004年 整治改建工程(780km) 路基高度1.8~3.5m ,采用EPS板、XPS板隔热层路基路、热棒制冷 路基、碎石坡面、片块石路基和遮阳板路基等新结构试验工程 修筑SBR改性沥青路面
多年冻土地区 公路修筑技术探讨
章金钊 教授级高工
中交第一公路勘察设计研究院有限公司 寒区道路工程研究所
2008-04
一、青藏公路简介
• 青藏公路全长1937km，起点西宁市，经格尔木 • • • • •
至拉萨市，被誉为西藏的“生命线”，西藏同胞 称之为“金桥”； 青藏公路格尔木至拉萨段1155km ； 高原多年冻土区760多公里，其中多年冻土连续 分布区550km； 海拔2800～5231m，4000m以上960多公里； 空气含氧量仅为内地海平面的50%； 平均气温-2～-7℃，每年冻结期达7～8个月，且 雨、雪和冰雹不断，加之高原多年冻土区特有的 地下冰、冰椎、冰丘及热融湖塘等不良地质件。
主要标志：路基下人为上限逐年加深；
冻土地温逐年升高；路基病害仍在不断出现。
多年冻土地区公路修筑成套技术研究
– – – – – – – – – – – 多年冻土地区公路工程地质研究 多年冻土地区公路病害和机理研究 水、热、力耦合效应与路基路面温度场变化规律研究 多年冻土地区路基稳定性技术研究 多年冻土地区路面设计与施工技术研究 多年冻土地区桥涵工程技术研究 多年冻土地区公路生态环境保护与评价技术研究 多年冻土地区公路养护与维修技术研究 季节性冰冻地区路基路面稳定技术研究 高原（山）地区筑养路职工安全与健康保障研究 多年冻土地区沥青路面耐久性能研究
一次性成本高的工程措施
｛
隔热层路基 热棒路基 通风管路基 旱桥
一次性成本较低的工程措施：
填土路基、碎石（片块石）路基
九、冻土路基病害
——热融沉陷
九、冻土路基病害
——路基裂缝
九、冻土路基病害
——路基翻浆
九、冻土路基病害（地震）
2001.11.14——路基裂缝
十、路面病害
十一、桥梁基础病害
十、高原多年冻土区对公路的客观条件 ------路基
三、多年冻土分布
——我国多年冻土分布
• 我国多年冻土主要分布在青藏高原、东北大小兴安
岭及西部零星的高山区。
– 青藏高原多年冻土属高海拔、低纬度多年冻土，约有147万km2；
– 大小兴安岭多年冻土属低海拔、高纬度多年冻土；
– 除多年冻土外，冻深大于50cm的季节冻土约占我国领土的70% 。
四、多年冻土发育的条件
质、地表植被等小区域条件对其也有较大影响。
• 阿尔泰山多年冻土下界：2200m；
• 喜玛拉雅山多年冻土下界：4900m；
高海拔多 年冻土
• 青藏公路沿线多年冻土下界：4150m（北）~4535m(南） • 年平均气温：-2.0 ~ -3.6℃
五、冻土工程分类
• 按冻土含冰量（融沉性）分：
少冰冻土、多冰冻土（低含冰量冻土） 、 富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层（高含冰量冻土） • 按年平均地温分： 高温冻土、低温冻土（主要以路基病害程度为依据）