青藏高原多年凍土區(qū)高填方路基調(diào)控措施研究

青藏高原多年凍土區(qū)高填方路基調(diào)控措施研究

1凍土路基工程目前，中國在青藏高原的長期凍土區(qū)運營的公路屬于二級和三級公路，其運營能力和安全性相對較低，嚴重影響和制約了沿線經(jīng)濟的快速發(fā)展。這條道路在運營能力、運營速度和運營安全方面發(fā)揮著顯著作用。高原多年凍土區(qū)的標準化道路建設(shè)在發(fā)展和利用國土資源、實現(xiàn)平衡發(fā)展、減少地區(qū)差異、實現(xiàn)可持續(xù)資源開發(fā)等方面發(fā)揮著不可替代的作用。長期的科研和工程實踐表明,多年凍土區(qū)公路成敗與否,路基是關(guān)鍵。在高原多年凍土區(qū)修筑路基以后,改變了地氣間的熱交換條件和水熱輸運過程,表面熱交換條件的改變,打破了氣候與天然多年凍土之間的熱平衡條件,路基內(nèi)逐年的吸放熱不均衡致使凈吸熱增加,下伏土體溫度升高、多年凍土融化,嚴重威脅凍土路基的穩(wěn)定性。雖然凍土路基病害的本質(zhì)均是由于多年凍土融化和凍融循環(huán)作用而引發(fā)的凍土地基強度減弱引起的,但病害的表現(xiàn)形式和形成特點則主要受路基尺度和結(jié)構(gòu)控制。為了治理凍土工程擾動引起的路基體水熱重分布、路面性狀改變導(dǎo)致路基體吸熱量增加、高路堤引起的陰陽坡效應(yīng)等引發(fā)的路基病害,在青藏高原已有工程地質(zhì)條件和氣候條件下,凍土科研工作者從人為可以改變的影響凍土路基穩(wěn)定性的因子入手,提出了多年凍土地區(qū)高等級公路優(yōu)先選用分離式路基的路基選型原則,提出了保護凍土、控制融化速率、綜合治理的路基設(shè)計原則。并重點就減少凍土的熱干擾,減少路基體吸熱等提出了一些單一特殊調(diào)控路基工程措施,如隔熱層路基、遮陽板路基、熱棒路基、片塊石路基、通風管路基等,這些特殊工程措施對于調(diào)控凍土地溫,保持路基穩(wěn)定起到積極作用,所經(jīng)區(qū)段路基病害得到很大程度的治理,道路通行條件得到改善和提高。但是,受施工條件和施工質(zhì)量控制影響,受作用時效性、作用機理等限制,一些特殊調(diào)控工程措施的作用效果還未達到設(shè)計預(yù)期。而且,高等級公路較普通公路而言,路基結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)形式將會發(fā)生很大變化,寬幅的路基路面更能吸收大量的太陽輻射,所吸熱熱量將更加難以通過路堤邊坡向外界擴散,會由此產(chǎn)生更加明顯的“聚熱效應(yīng)”,并導(dǎo)致凍土更加的快速退化,產(chǎn)生新的路基穩(wěn)定性問題和耐久性問題。本文將針對青藏高原多年凍土區(qū)公路運營中出現(xiàn)的病害問題,特別是由于多年凍土原因?qū)е碌穆坊『栴},結(jié)合高等級公路的特點,在對原有單一調(diào)控措施進行結(jié)構(gòu)調(diào)整、改進完善的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新集成了一系列新型調(diào)控路基方案,以期為后續(xù)的工程建設(shè)尤其是青藏高速公路建設(shè)提供經(jīng)驗借鑒。2水熱通道阻隔熱棒路基作為一種保護凍土的無源降溫措施,其能夠有效的降低路基土體溫度,發(fā)揮保護凍土、維持路基穩(wěn)定的作用,但是,其只在冷季氣溫低于地溫且達到啟動溫差時才工作,工作時效受限制。隔熱層路基利用隔熱材料有較大的熱阻,暖季能大大減少傳入路基中隔熱層下部土體的熱量,有利于凍土路基的穩(wěn)定,但是,其只在外界溫度大于路基體內(nèi)溫度,溫度梯度趨于使路基體溫度升高的暖季才發(fā)揮積極效應(yīng),減少路基體吸熱的積極效應(yīng)不是全年持續(xù)作用的,冷季由于隔熱材料固定的熱阻和對水熱通道的阻隔,反而不利于路基體向外散熱,不利于凍土路基穩(wěn)定?；跓岚袈坊透魺釋勇坊鶅煞N單一調(diào)控措施在工作時效上的互補性,為了綜合治理凍土路基病害,本文提出了熱棒———隔熱層復(fù)合路基工程措施。該復(fù)合工程措施是將熱棒工程措施與隔熱層工程措施組合使用,使得熱棒的蒸發(fā)端置于隔熱層下部,冷凝端置于路基體外或隔熱層的頂部,暖季,隔熱層發(fā)揮積極作用,將路基外部的大部分熱量阻擋于隔熱層的上部,盡可能的減小外部熱量傳入路基體,達到保護路基穩(wěn)定的作用;冷季,在滿足啟動溫差時,熱棒啟動工作,通過工質(zhì)的對流循環(huán)將冷量帶到隔熱層的底部,進行冷量交換,降低了隔熱層底部土體的溫度,進而達到使凍土回凍的目的。該復(fù)合調(diào)控工程措施是將隔熱層有較大熱阻能減少路基體暖季吸熱,熱棒冷季能主動對流換熱冷卻路基的各自的積極因素進行綜合利用,從而達到全年冷季暖季均減少路基體吸熱的積極作用,更有效地降低路基基底的溫度,提高多年凍土層穩(wěn)定性,確保凍土路基的穩(wěn)定。熱棒路基中使用的熱棒在多年使用過程中逐漸發(fā)展創(chuàng)新,除了早期使用的直型熱棒外,還衍生出了“發(fā)卡型”、“L型”等異型熱棒。隔熱材料的強度、導(dǎo)熱系數(shù)等也隨著新材料的不斷應(yīng)用在優(yōu)化。在具體選用時,高等級公路分離式路基,組合結(jié)構(gòu)可參考已經(jīng)試驗實施的如下圖1所示路基結(jié)構(gòu)。高等級公路整體式路基,由于結(jié)構(gòu)尺寸的變化,導(dǎo)致的路基中心聚熱效應(yīng)更加明顯,富冰、飽冰和含土冰層凍土段,為了更有效地保持凍土路基的熱穩(wěn)定性,需要增加熱棒的布設(shè)密度。組合結(jié)構(gòu)可參考正在施工的共和至玉樹高等級公路建設(shè)中提出的如下圖2所示路基結(jié)構(gòu)。3透壁式通風管組合結(jié)構(gòu)片塊石路基是青藏公路和青藏鐵路路基工程中采用最為廣泛的工程措施,除片塊石自身具有一定的強度,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性較好外,開放結(jié)構(gòu)的片塊石在青藏高原特殊的自然氣候條件下,夏季可以減少熱量傳入下伏凍土層,冬季可以發(fā)生對流換熱作用,釋放下伏土體中的熱量,減少路基熱儲,確保凍土路基穩(wěn)定。為了保證片塊石路基的對流換熱效果,片塊石路基對石料粒徑有嚴格的要求,結(jié)構(gòu)尺寸較大的石塊與粒徑較小的碎石石渣等均不能使用。由于青藏高原滿足使用要求的石料場較少,人為施工對片塊石篩選不夠嚴格,導(dǎo)致片塊石路基僅僅起到填石路基的作用,通風對流的條件基本喪失。本文提出透壁式通風管———塊石復(fù)合路基工程措施,利用透壁式通風管加強片塊石層內(nèi)的對流,彌補片塊石路基對流條件部分喪失的不足,達到持續(xù)有效地降低路基基底土體溫度,保持路基穩(wěn)定的目的。與普通通風管相比,透壁式通風管管身按設(shè)計要求預(yù)留了孔洞,除具有普通通風管的作用機制外,透壁式通風管作為路基體第二冷源,在冷季可以將冷量透過管壁的孔洞穿透到管周圍介質(zhì)中去,與介質(zhì)中的氣體進行對流熱交換,帶走路堤堤身熱量,達到主動冷卻路基的目的。組合結(jié)構(gòu)可參考已經(jīng)試驗實施的如下圖3所示路基結(jié)構(gòu)。該組合措施在暖季氣溫高于塊石層地溫時,由于風等因素作用,管內(nèi)外不同溫度空氣發(fā)生對流,熱空氣的循環(huán)進入則會帶入部分熱量,加速路基下凍土的退化。為了趨利避害,增強冷季的通風對流效果,減少暖季的管內(nèi)空氣對流,可在原有通風管的端部加裝智能采風口或溫度感應(yīng)自控風門進行干預(yù)調(diào)節(jié)。4機械化施工作業(yè)通過對青藏公路和青藏鐵路通風管路基現(xiàn)場觀測資料的分析,發(fā)現(xiàn)通風管上部土體吸收的熱量可以通過通風管間的土體進一步向下傳遞,削弱通風管路基的降溫效能,同時,通風管路基在施工時,管側(cè)壓實困難,不利于機械化施工。為了優(yōu)化通風管路基的結(jié)構(gòu),本文提出全斷面寬幅通風路基工程措施,它是在路堤一定高度位置,設(shè)置一層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,便于施工的可與外界相通的架空層,以對流換熱的形式實現(xiàn)路堤內(nèi)部與外界的熱交換,達到主動冷卻路基的目的。全斷面寬幅通風路基是通風路基的一種,屬于調(diào)控對流的范疇,由于其斷面特征為低矮、幅寬、全斷面通透,故稱為全斷面寬幅通風路基。該工程措施所選預(yù)制塊自身具有足夠的強度,易于其上部結(jié)構(gòu)層壓實,既能滿足通風對流降低路基土體溫度的要求,又能完全阻隔路基基底毛細水上升,防止路基體含水量過大,路基整體強度減弱而導(dǎo)致路基產(chǎn)生破壞。結(jié)構(gòu)可參考已經(jīng)試驗實施的如下圖4所示路基結(jié)構(gòu)。5遮陽板棚防護差青藏高原大氣透明、潔凈,云量少,日照時數(shù)較長,除瀝青混凝土路面有較強的吸熱能力外,路基邊坡亦吸收大量的太陽輻射熱,這也是路基體升溫的主要熱源。在地溫調(diào)控技術(shù)輻射調(diào)控方面,已有研究結(jié)果顯示,路堤坡面吸熱會對路基穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。以前在青藏公路和青藏鐵路建設(shè)中開展了遮陽板(棚)、拋(碎)石護坡等試驗研究,研究認為:遮陽板(棚)既能遮陽,又能通風,是一種有效的降低路基下部多年凍土溫度的工程措施,但是該種措施在青藏高原大風等惡劣環(huán)境下結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生損壞;拋(碎)石護坡既能增加路基坡面的穩(wěn)定性,又能局部對流換熱,降低路基邊坡溫度,但是在風砂量較高地區(qū),碎石間的空隙將會很快被風積砂所填堵,導(dǎo)致該措施降溫機制失效。本著充分利用自然冷能,優(yōu)化輻射調(diào)控措施的思路,結(jié)合工程實踐,本文提出了一種空心塊護坡路基工程措施,其通過在路堤邊坡推砌一種預(yù)制空心塊,遮擋和消除太陽對路堤邊坡表面的照射和加熱作用,克服太陽輻射對路堤坡面加熱所造成的不良影響,同時利用空氣的有效自然對流進一步降低坡面的溫度,最終保持多年凍土路基的穩(wěn)定。該工程措施是將具有一定幾何形狀,且為空心的預(yù)制塊,在已經(jīng)成型的路堤坡面上鋪設(shè),分為順序堆砌和隨意堆砌兩種結(jié)構(gòu)。其不僅具有遮陽板措施遮陽、通風降溫的效能,而且具有拋石護坡措施的蓄冷功效,最終可以有效降低路基溫度;同時,堆砌在坡面上的空心塊可以有效保護坡面,防止雨水沖刷,增強路基整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)可參考已經(jīng)試驗實施的如下圖5所示路基結(jié)構(gòu)。6新型調(diào)控方案與整體式路基相比,分離式路基路幅較窄,路基下聚熱效應(yīng)相對較小,路基變形破壞較全幅的整體式路基易于控制,基于此,分離式路基是多年凍土區(qū)高等級公路的推薦方案,但是,分離式路基在兩幅路基間距較小(L<5m)甚至交叉的情況下,會形成明顯相互熱干擾,進而影響彼此路基內(nèi)溫度場分布,影響路基穩(wěn)定。依托共和至玉樹高等級公路建設(shè),本文提出了以下新型調(diào)控措施方案:(1)熱棒———片塊石復(fù)合路基:在富冰、飽冰凍土路段,當分離式路基的兩幅路基的間距L大于3m而小于5m時,屬于輕度熱干擾工況,可采用陽坡側(cè)路基自下而上依次鋪設(shè)土工格柵、片塊石層、透水土工布和另一層土工格柵的結(jié)構(gòu),相鄰兩幅路基的陽坡側(cè)坡腳布設(shè)熱棒,兩幅路基之間合理設(shè)置排水溝。具體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖6所示。(2)空心塊———片塊石復(fù)合路基:在飽冰、含土冰層凍土段,當分幅的兩幅路基的間距L<3m時,屬于重度熱干擾工況,可采用陽坡側(cè)路基下通鋪片塊石,相鄰相交的兩個坡面均堆砌空心預(yù)制塊,兩幅路基間合理設(shè)置縱向、橫向盲溝。具體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖7所示。(3)熱棒———空心塊復(fù)合路基:在富冰、飽冰凍土段,當分幅的兩幅路基邊坡相交(L<0)時,屬重度熱干擾工況,可采用陽坡側(cè)路基的路肩設(shè)置熱棒,兩幅路基相交的兩個邊坡上均推砌空心預(yù)制塊,兩幅路基間合理設(shè)置縱向、橫向盲溝。具體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖8所示。7新型調(diào)控路基措施的應(yīng)用建議對青藏高原多年凍土區(qū)高等級公路新型調(diào)控路基進行了深入探討,在對原有單一調(diào)控措施進行分析、評價的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性的提出了全斷面寬幅通風路基、空心塊護坡路基等新型調(diào)控結(jié)構(gòu),并結(jié)合高等級公路的特點,集成提出了適合整體式路基的復(fù)合調(diào)控措施,適合分離式路基的復(fù)合調(diào)控措施,創(chuàng)新性的提出了分幅路基相互熱干擾的處治對策,修筑完成了相關(guān)復(fù)合調(diào)控措施的實體試驗工程,目前研究表明:(1)單一調(diào)控措施在實際應(yīng)用中存在的一些不足,可以通過完善理論、調(diào)整結(jié)構(gòu)等進行改進,可以通過調(diào)控措施組合進行優(yōu)化。本文提出的新型路基調(diào)控工程措施,可以為青藏高原多年凍土區(qū)高等級公路路基病害的預(yù)防和處治提供更多的選擇方案。(2)青藏公路和青藏鐵路建設(shè)中成功應(yīng)用的一些典型路基調(diào)控工程措施,在高等級公路建設(shè)中要結(jié)合高等級公路的特點進行調(diào)整和設(shè)計。(3)目前提出的路基調(diào)控措施對“多年凍土”非常重視,主要調(diào)控目標是減少路基體凈吸熱量,保持凍土路基的熱穩(wěn)定,但對凍土路基“水損壞”調(diào)控措施研究不足。凍土路基往往因為:a)下層多年凍土融化,毛細水上升;b)路表水大量從松散的土路肩和邊坡下滲;c)路基施工多處于雨季,填料含水量控制不嚴;等諸多原因,導(dǎo)致路基土體持力層處于過濕或飽和狀