特殊條件下的路基施工多年凍土

特殊條件下的路基施工多年凍土第1頁/共19頁【凍土區(qū)筑路技術(shù)問題難度】自然條件的變化（氣溫升高）和工程活動(dòng)熱影響，使多年凍土發(fā)生變化（地溫升高、上限變化），體現(xiàn)在工程上就是凍脹融沉變形影響工程建筑物的穩(wěn)定?！緝鐾羺^(qū)筑路技術(shù)核心】通過相應(yīng)的工程結(jié)構(gòu)和工程措施控制多年凍土層溫度，控制多年凍土的活動(dòng)層（季節(jié)融化層）變化，從而控制活動(dòng)層的凍脹融沉變形，使其上工程建筑物在運(yùn)營(yíng)過程中的變形控制在允許范圍內(nèi)。因此，控制凍脹融沉變形是凍土區(qū)筑路技術(shù)的核心問題。天然地面多年凍土上限多年凍土上限附近冰層第2頁/共19頁太陽輻射季節(jié)融化層多年凍土層多年凍土上限

在多年凍土區(qū)修建鐵路的原理：天然條件下季節(jié)融化層好像一層保溫層，保護(hù)著多年凍土處在凍結(jié)狀態(tài)修建鐵路路基時(shí)，壓實(shí)地表或鏟掉植被、路堤填土或其他結(jié)構(gòu)形式，均改變了原來季節(jié)融化層保溫效果，有可能使多年凍土發(fā)生三種變化：

1上限下移，2上限基本不變，3上限上升。上限下移造成較大凍脹融沉變形。

修建鐵路采取各種措施，使多年凍土上限不下移，保證工程建筑物穩(wěn)定修建鐵路后可能發(fā)生三種情況：1.上限下移，2.上限基本不變，3.上限上升上限下移上限基本不變上限上升天然條件下季節(jié)融化層類似保溫層第3頁/共19頁二、施工基本原則

在路基工程中破壞了多年凍土的熱平衡條件后，常用人工建筑材料保持多年凍土的凍結(jié)，叫做保溫法。在多年凍土地區(qū)的邊緣，若多年凍土層不厚，溫度高而不穩(wěn)定，則挖除凍土，使路基坐落在可靠的基底上，叫做破壞凍土法。治水有防止地表水滲入結(jié)構(gòu)物地基（地面排水、擋水埝和保溫防融），阻攔地下水向結(jié)構(gòu)物地基附近聚集（截水溝）。減少凍脹量和融沉量。第4頁/共19頁

遮陽板結(jié)構(gòu)片石氣冷邊坡和護(hù)道遮陽棚路基熱棒路基病害整治主要工程技術(shù)第5頁/共19頁塊石層冷卻地基原理Cold（冷）Warm（熱）碎石層邊坡冷卻地基原理三.主動(dòng)冷卻地基土體的工程結(jié)構(gòu)片石層頂部溫度低于底部－對(duì)流蓄冷片石層頂部溫度高于底部－接觸熱傳導(dǎo)片石空隙阻止熱量向下總體類似熱開關(guān)或熱二極管作用，年度熱量收支冷量積累占優(yōu)碎石層外部溫度低于底部－對(duì)流蓄冷碎石層外部溫度高于底部－接觸熱傳導(dǎo)碎石層邊坡沿坡面的煙囪效應(yīng)總體類似熱開關(guān)或熱二極管作用，年度熱量收支冷量積累占優(yōu)塊石路基原理第6頁/共19頁片石氣冷路基結(jié)構(gòu)【片石氣冷路基效果】與普通路基相比，通過基底傳入地基土體冷量大2－4倍。由于片石層的應(yīng)力擴(kuò)散作用，還能有效的抑止路基變形，而幾何尺寸不對(duì)稱片石層可以減少橫向變形差異。【碎石邊坡路基效果】具有與片石層一樣的冷卻效果，另外減少了通過邊坡傳遞的太陽輻射熱，減少了各種自然因素對(duì)邊坡的侵蝕?！酒瘹饫?碎石護(hù)坡路基效果】集其他兩種之優(yōu)點(diǎn)，效果更好1.片石氣冷路基2.片石層+碎石護(hù)坡路基3.碎石邊坡路基第7頁/共19頁塊石層路基試驗(yàn)段碎石層邊坡實(shí)景青藏鐵路片石氣冷路基結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及效果塊石層路基施工塊石層路基實(shí)景楚瑪爾河地區(qū)片石氣冷路基+碎石護(hù)坡第8頁/共19頁熱棒路基原理

熱管（熱棒）技術(shù)是60年代初發(fā)展起來的一種廣泛用于土木工程中的冷凍技術(shù)。它無需外加動(dòng)力源，實(shí)際上是一種無芯重力式熱管。熱管（熱棒）路基，他的特點(diǎn)在于充分利用自然能源，在溫差作用下驅(qū)動(dòng)內(nèi)部制冷工質(zhì)的汽液兩相對(duì)流循環(huán)，通過蒸發(fā)段蒸發(fā)吸熱作用降低周圍凍土溫度，增加凍土本身的冷儲(chǔ)量，提高凍土的熱穩(wěn)定性。

熱棒作用原理重力、溫差驅(qū)動(dòng)、無源制冷。工作條件：環(huán)境溫度低于蒸發(fā)段土層溫度

熱棒作用效果圖中深藍(lán)色－天藍(lán)色－湖藍(lán)色為熱棒降溫區(qū)域變化圖。熱棒路基實(shí)際作用效果凍土區(qū)路基坡向不同，基底多年凍土上限變化形態(tài)不對(duì)稱，坡腳打入熱棒后，可以改變這種不對(duì)稱，減少路基變形差異。第9頁/共19頁遮擋式路基結(jié)構(gòu)

【遮陽棚原理】用具有一定強(qiáng)度，反射性能好的材料，阻擋太陽輻射熱能進(jìn)入路基本體

【遮陽棚效果】遮陽棚內(nèi)沿路基的整個(gè)橫斷面年平均氣溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于外部空氣，棚內(nèi)地表平均溫度比棚外地表溫度低5－8℃左右。凍土上限有效抬升，多年凍土年平均地溫有效降低。抵御未來氣溫升高的能力提高。

最早提出遮陽棚理論設(shè)想的俄羅斯科學(xué)家康德拉季耶夫的設(shè)計(jì)思路第10頁/共19頁【遮擋式路基結(jié)構(gòu)種類】遮陽板邊坡遮陽棚路基唐古拉山區(qū)遮陽棚1997年開始，中鐵西北科學(xué)研究院與俄羅斯專家合作在風(fēng)火山進(jìn)行遮擋式路基結(jié)構(gòu)研究，2002年青藏公司和中科院開始在北麓河進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)大幅度降低地表溫度，提高多年凍土上限，冷卻地基土體的效果非常好是未來青藏鐵路運(yùn)營(yíng)階段病害整治的有效技術(shù)措施之一。第11頁/共19頁通風(fēng)管路基【原理】通風(fēng)管埋設(shè)到路基土體中，增加土體與空氣的接觸面，增加傳入地基土體的冷量，積極主動(dòng)的降低地基土體溫度。為減少暖季通過通風(fēng)管流入地基土體的熱量，管子兩端可以安裝溫度自動(dòng)開啟風(fēng)門?！拘Ч可贤L(fēng)管路基與一般填土路基類似，下通風(fēng)管路基是地基土體整體溫度降低，地溫場(chǎng)分布對(duì)稱性好，可以減少橫向變形差異?！窘Y(jié)構(gòu)】根據(jù)通風(fēng)管埋設(shè)在路基部位不同可以分為上通風(fēng)管路基和下通風(fēng)管路基第12頁/共19頁熱棒＋保溫板復(fù)合結(jié)構(gòu)【原理】路基本體鋪設(shè)保溫材料，可以增大熱阻，減小外界熱量對(duì)凍土地基的熱干擾，其作用有正負(fù)效應(yīng)，正效應(yīng)達(dá)到隔熱，防止凍土地基土體升溫，負(fù)效應(yīng)則阻隔了寒季凍土地基冷儲(chǔ)量增加。熱棒作用原理恰恰是在暖季不工作，寒季可以通過管內(nèi)氣液轉(zhuǎn)換過程的吸熱原理，降低周圍土體溫度，增加地基土體冷儲(chǔ)量，在保溫板下方插設(shè)熱棒，既可以在暖季利用保溫板的隔熱減少傳入地基土體熱量，又可以在寒季利用熱棒的制冷功能增加地基土體冷儲(chǔ)量。【結(jié)構(gòu)】根據(jù)保溫板在路基中埋設(shè)位置不同（上部和底部），結(jié)構(gòu)形式分兩種（熱棒只能設(shè)在坡腳處）。北麓河實(shí)體工程施工過程示意圖第13頁/共19頁被動(dòng)保溫結(jié)構(gòu)的局限性等效保溫層原理和路基最小填筑高度保溫板路基

修建鐵路路基時(shí)，壓實(shí)地表或鏟掉植被、路堤填土，改變了原來季節(jié)融化層保溫效果，一般采用等效保溫層原理，利用增大熱阻，即增加路基填土高度的方法達(dá)到等效保溫效果，地基多年凍土不致破壞。能夠達(dá)到原來季節(jié)融化層保溫效果的最小填土高度，稱路基最小填筑高度。他受當(dāng)?shù)貧夂驐l件、填土種類影響而變化。設(shè)計(jì)暫規(guī)規(guī)定了不同地段、不同填土種類的最小填土高度。

路基上部或底部埋設(shè)一定厚度保溫板（聚苯乙烯、聚胺脂泡沫板等），阻止熱量傳入地基土體，這種路基結(jié)構(gòu)稱為保溫板路基。

在低溫凍土區(qū)，應(yīng)用在低路堤、路塹能起到積極的效果，因凍土，地基有足夠的冷儲(chǔ)量保持凍土上限或使上限上升。對(duì)于高溫凍土區(qū)，凍土地基的冷儲(chǔ)量有限，缺乏寒季的冷能補(bǔ)給，不利于凍土保護(hù)。有部分越嶺地段，受線路縱坡限制，路基填土高度達(dá)不到最小填土高度，有時(shí)采用一定厚度保溫板等效代替土層厚度，如果是在高溫凍土區(qū)，為了保證凍土的凍結(jié)狀態(tài)不致于受到破壞，應(yīng)采取熱棒＋保溫板復(fù)合結(jié)構(gòu)。局限性第14頁/共19頁土護(hù)道＋普通土路基土護(hù)道上裂縫土護(hù)道＋普通土路基上裂縫

這種結(jié)構(gòu)形式的路基，雖然由于土層的保溫作用，在一定時(shí)間內(nèi)也可以使基底多年凍土抬升，但是在高溫凍土區(qū)，抵御未來氣溫升高影響的能力很差。而且由于幾何尺寸的缺陷，基底多年凍土抬升后的形態(tài)不對(duì)稱，容易造成橫向變形不均勻，加上土體本身抗拉伸變形能力差，進(jìn)而發(fā)展成為縱向裂縫。目前，青藏鐵路凍土區(qū)已經(jīng)不再使用這種工程結(jié)構(gòu)，已經(jīng)存在的這種路基已經(jīng)采用不同結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。第15頁/共19頁凍土區(qū)橋梁基礎(chǔ)種類和應(yīng)用

高溫高含冰量?jī)鐾羺^(qū)，“以橋代路”普遍應(yīng)用，和一般凍土區(qū)橋梁一樣，主要采用灌注樁基礎(chǔ)，樁的承載力主要由凍土的凍結(jié)力形成。由此引發(fā)凍土區(qū)樁基施工如何減少對(duì)凍土熱擾動(dòng)、縮短回凍過程、盡早形成承載力和承載力形成的不同階段如何安排后續(xù)工序等一系列關(guān)鍵施工技術(shù)問題。

清水河“以橋代路”特大橋第16頁/共19頁三、施工注意事項(xiàng)1、