基于互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)平臺(tái)的多年凍土區(qū)路基病害資源庫(kù)

王姣姣

張亮

袁巖松

指導(dǎo)教師：

王鐵權(quán)

周永勝

目錄一、研究背景

1、凍土區(qū)路基相關(guān)資料2、數(shù)據(jù)庫(kù)建立的意義二、線路沿線氣候及凍土分布三、多年凍土區(qū)已有路基結(jié)構(gòu)四、凍土路基的病害與防治措施

五、數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)一、研究背景

1、凍土區(qū)路基相關(guān)資料1.1我國(guó)多年凍土現(xiàn)狀我國(guó)多年凍土分布廣闊，總面積約215萬(wàn)平方公里，其主要分布在青藏高原、東北大、小興安嶺和松嫩平原北部及西部高山等地，如圖1.1所示。青藏高原多年凍土區(qū)是世界上中、低緯度地帶面積最廣、厚度最大、溫度最低的多年凍土區(qū)，其面積約150萬(wàn)平方公里，約占中國(guó)多年凍土區(qū)總面積的70%。我國(guó)在多年凍土區(qū)道路建設(shè)方面投入了大量的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行科學(xué)研究和工程實(shí)踐，取得了一系列技術(shù)成果，然而，多年凍土地區(qū)長(zhǎng)期低溫、晝夜溫差大、紫外線輻射強(qiáng)，惡劣的自然環(huán)境條件致使道路產(chǎn)生大量縱向裂縫、不均勻沉降等病害，嚴(yán)重降低了道路的質(zhì)量和服務(wù)水平。1.2凍土區(qū)路基研究現(xiàn)狀

路基熱穩(wěn)定性是凍土區(qū)路基穩(wěn)定的前提條件，熱穩(wěn)定性的變化會(huì)誘發(fā)路基結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，引發(fā)一系列路基路面病害。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)凍土熱融展開(kāi)了一系列研究，吳青柏[27]等人建立了評(píng)價(jià)多年凍土熱融蝕敏感性定量評(píng)價(jià)模型，根據(jù)青藏公路沿線的地溫監(jiān)測(cè)資料，用定量評(píng)價(jià)模型分析了工程活動(dòng)對(duì)多年凍土環(huán)境影響的敏感性變化。研究結(jié)果表明：凍土熱融蝕敏感性與多年凍土溫度、地溫呈指數(shù)關(guān)系，與季節(jié)融化深度呈對(duì)數(shù)關(guān)系。1.3、凍土概念

在嚴(yán)寒地區(qū)，地面以下一定深度的地溫常年保持在0℃以下，土中含有冰，這類(lèi)土稱(chēng)為凍土。含冰的土持續(xù)2年或2年以上不融化，稱(chēng)為多年凍土。凍結(jié)時(shí)間少于2年的可稱(chēng)為：隔年凍土，季節(jié)凍土，短時(shí)凍土。我國(guó)多年凍土分布很廣，主要集中在東北的大、小興安嶺、松嫩平原北部、青藏高原、祁連山、天山等西部高山上，多年凍土區(qū)面積215萬(wàn)km2，占全國(guó)總面積的1/5。1.4、凍土區(qū)路基結(jié)構(gòu)形式

多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。2、數(shù)據(jù)庫(kù)的建立意義

數(shù)據(jù)資源庫(kù)相關(guān)技術(shù)研發(fā)成熟以后，可以向相關(guān)施工單位提供其所需的技術(shù)資料，數(shù)據(jù)查詢(xún)可通過(guò)APP,網(wǎng)頁(yè)，公眾平臺(tái)等各種方式按要求進(jìn)行操作。數(shù)據(jù)資源庫(kù)包含多年凍土區(qū)路基病害原因及其治理方式，施工單位可根據(jù)自身需求進(jìn)行不同種選擇，其資源覆蓋國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)治理凍土成功案例，將其系統(tǒng)的整理成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化，真正意義上達(dá)到方便，有效，徹底根除其危害的作用。數(shù)據(jù)庫(kù)使用方便，快捷；選用各種案例及各項(xiàng)維護(hù)處理等多重?cái)?shù)據(jù)組合而成；可重復(fù)利用，使用效率高；針對(duì)各地區(qū)及其生態(tài)自然環(huán)境所造成的不同種凍土病害都可進(jìn)行施工與維護(hù)；所有數(shù)據(jù)整理結(jié)構(gòu)化、易于推廣；減少由道路病害產(chǎn)生的維修費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。二、線路沿線氣候及凍土分布1.1、沿線氣候

青藏高原沿線氣候青藏高原氣候環(huán)境青藏高原氣候環(huán)境1.2、青藏高原多年凍土區(qū)道路沿線凍土類(lèi)型及分布1.2、青藏高原多年凍土區(qū)道路沿線凍土類(lèi)型及分布

1.3青藏高原多年凍土區(qū)道路典型結(jié)構(gòu)藍(lán)色為多年凍土；紫色為季節(jié)凍土；黃色為短時(shí)凍土；綠色為非凍土。1.4、凍土類(lèi)型分布三、多年凍土區(qū)已有結(jié)構(gòu)路基引發(fā)路面縱向開(kāi)裂路基不均勻變形導(dǎo)致路面波浪變形四、凍土路基的病害與防治措施

1、病害

1)融沉融沉，也稱(chēng)融化下層，指土中過(guò)剩冰融化所產(chǎn)生的水排出以及土體的融化固結(jié)引起的局部地面的向下運(yùn)動(dòng)，是自然(如氣候轉(zhuǎn)暖)或人為因素(如砍伐與焚燒樹(shù)木、房屋采暖)改變了地面的溫度狀況，引起季節(jié)融化深度加大，使地下冰或多年凍土層發(fā)生局部融化所致。在多年凍土上限附近的細(xì)粒土和有一定量細(xì)粒土充填的粗粒土中往往存在厚層地下冰，由于其埋藏淺，所以很容易受各種人為活動(dòng)的影響而融化。由厚層地下冰融化而產(chǎn)生的融沉是引起多年凍土區(qū)路基變形和破壞的主要原因。路堤修筑后改變了表面的水熱交換條件，并引起基底土層壓縮等一系列變化。這些變化在一定條件下使上限(指多年凍土上限，為多年凍土層的頂面，也是地表以下位置最深的凍融土層的界面)下降。2)凍脹凍脹是凍土區(qū)筑路時(shí)需要考慮的另一個(gè)重要問(wèn)題。一般情況下，在低溫凍土區(qū)，活動(dòng)層厚度一般較小，且存在雙向凍結(jié)，凍結(jié)速度較快，故凍脹相對(duì)較輕。而在高溫凍土區(qū)，活動(dòng)層厚度一般較大，凍結(jié)速度也較低，如存在粉質(zhì)土和足夠的水分則凍脹嚴(yán)重。由于路基填筑材料的不均勻，或不同巖性和水文地質(zhì)條件地段路基過(guò)渡處理不當(dāng)，可能引起不均勻凍脹，使線路在乎縱斷面上失去平順性。用粉質(zhì)土和黏性土填筑的路基，由于凍結(jié)時(shí)的水分遷移可能在上部聚冰而引起翻漿。3)融凍泥流和滑塌融凍泥流和滑塌多發(fā)生在有厚層地下冰分布的斜坡上。它可以由工程施工、挖方取土等人為活動(dòng)引起，也可以由自然因素(如河流侵蝕坡腳、氣溫升高)引起。由融凍泥流和滑塌形成的稀泥物質(zhì)向下流動(dòng)，可能掩埋道路，壅塞橋涵，加速路基的軟化濕陷。當(dāng)線路通過(guò)越嶺地段時(shí)，要特別注意這些問(wèn)題。4)冰錐、凍脹丘冰錐俗稱(chēng)涎流冰，指水多次溢出地表凍結(jié)而所形成的地面冰體。分布于多年凍土和季節(jié)凍土區(qū)。其形成條件為：具有不凍的水源、水的通道、水的驅(qū)動(dòng)力和嚴(yán)寒的氣候條件。按其水源分為河冰錐、湖冰錐和采冰錐。絕大部分冰錐是季節(jié)性的。工程建筑時(shí)，若建筑物攔截了地下水的通道，又未處理好排泄通道時(shí)，也會(huì)在建筑物附近形成冰錐，從而危害建筑物。由土的差異凍脹作用所形成的丘狀地形，總稱(chēng)凍脹丘。冰錐和凍脹丘是多年凍土區(qū)道路工程中最經(jīng)常遇到的不良凍土現(xiàn)象。5)熱融湖塘和沼澤化濕地?zé)崛诤猎谇嗖毓费鼐€分布較廣，在楚瑪爾河高平原上尤為集中。一般熱融湖塘下仍有多年凍土存在。公路通過(guò)熱融湖塘?xí)r要注意路基凍脹和沉陷的不均勻及邊坡陷裂等問(wèn)題，同時(shí)湖塘積水也容易引起路基濕軟，加劇凍脹和沉陷。沼澤化濕地地段一般厚層地下冰發(fā)育，線路通過(guò)時(shí)應(yīng)注意上部草炭和泥炭層的壓縮問(wèn)題，在這類(lèi)地段筑路時(shí)要特別注意保護(hù)植被，作好排水和保證足夠的路堤高度，必要時(shí)可加設(shè)保溫護(hù)道。

1）熱棒路基

2）通風(fēng)管路基

3）填石路基

4）保溫板路基

5）復(fù)合式路基

6）遮陽(yáng)板/棚路基

7）以橋代路

2、防治措施

2.1預(yù)防性措施設(shè)計(jì)通暢的地表排水系統(tǒng),以確保路基不受地表水的侵害,注意在秋末宣泄路基基床附近的積水,初春清除積雪。及時(shí)清篩臟污的道床,整治道碴陷槽,防止道床積水。新線路基要嚴(yán)格使用規(guī)范規(guī)定的填料填筑基床,土質(zhì)不良的路塹地段應(yīng)采取換填或改良土質(zhì)等措施。如遇地下水豐富,應(yīng)同時(shí)考慮降低地下水水位的措施。2.2導(dǎo)溫措施2.2.1

基床保溫措施基底鋪設(shè)隔溫層,可以補(bǔ)償路堤基底因表層植被及泥炭受到壓縮變薄及壓實(shí)而導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)性能增加,亦可減少填土蓄熱對(duì)基底的散熱影響,起到保溫效果。隔溫材料的種類(lèi),國(guó)外有采用泡沫塑料隔熱板材的,但造價(jià)較高。東北大小興安嶺地表生長(zhǎng)的塔頭草及泥炭層為良好的保溫材料,可就地取材,造價(jià)低且施工簡(jiǎn)便。鋪設(shè)厚度一般為0.2m～0.3m?；卒佋O(shè)泥炭層的多年凍土路堤,在基底泥炭隔溫層及兩側(cè)設(shè)置的保溫護(hù)道的共同作用下,基底人為上限上升明顯。更換基床土為一定厚度的保溫材料,如爐渣等,以調(diào)整路基凍結(jié)深度,減少基床上凍土的水分聚流現(xiàn)象,同時(shí)爐渣具有吸著薄膜水和較好的排水性能,可以促使融期基床干燥。爐渣保溫層厚度可通過(guò)凍滲理論計(jì)算,一般不少于0.4m。2.2.2

導(dǎo)溫盲溝導(dǎo)溫盲溝也稱(chēng)冷暖盲溝,是一種由爐渣橫向暖溝與卵石縱向冷溝聯(lián)合起來(lái)組成的導(dǎo)溫方案。其原理是通過(guò)在軌道下基床間隔設(shè)置的橫向暖溝,使土基凍結(jié)滯后。而在軌道兩側(cè)設(shè)置的縱向冷溝,則由于其填料的溫度傳導(dǎo)系數(shù)大且通風(fēng)良好,使其周?chē)幕餐料刃袃鼋Y(jié),因而,軌道下基床土中的水分必然向冷溝附近的冷卻區(qū)聚集。春融時(shí),冷溝附近凍土及凍體先行融化,土中水由縱向盲溝中排出。這樣,整個(gè)基床土分期融凍,分期凍結(jié),使軌道下的基床濕度大大降低,并提高了基床的整體承載力。煙雙鐵路專(zhuān)用線冷溝設(shè)計(jì)采用<40mm～<200mm洗凈的卵石并包裹土工布代替反濾層,效果較好。2.2.3設(shè)置保溫護(hù)道多年凍土路堤的另一保溫措施是設(shè)置保溫護(hù)道,用以減少及削弱因熱傳導(dǎo)作用而引起的對(duì)多年凍土的影響。防止向陽(yáng)坡側(cè)人為上限的下降和緩和坡側(cè)人為上限的破壞。以粘性土填筑的保溫護(hù)道并可阻擋和減少路堤坡腳處地表水滲入基底,防止基底凍土融化,保證路堤穩(wěn)定的效果。護(hù)道材料宜根據(jù)“就地取材,方便施工”的原則,并結(jié)合防水綜合考慮。采用泥炭草皮或細(xì)粒土均可。在需要加強(qiáng)防水的地段以土護(hù)道為宜。2.3土工布、EPS導(dǎo)溫墊床土工布具有隔離、滲濾、排水、加固和強(qiáng)化土體的作用,在整治一般翻漿中已廣泛應(yīng)用。EPS是鐵科院鐵建所試驗(yàn)研究的一種新型防凍土工聚合材料,由可發(fā)性聚苯乙烯貯存,予發(fā)泡、成熟處理及模制過(guò)程加工而成的泡沫材料。試驗(yàn)證明,密度為45kg/m3的EPS材料,吸水率小,含氣量高,導(dǎo)溫系數(shù)小,在受水浸濕時(shí)仍有較好的隔熱效果,且能滿(mǎn)足動(dòng)荷載為200kPa的強(qiáng)度和變形要求。2.4

保證路堤的最小高度在多年凍土上修筑路堤,只要滿(mǎn)足最小高度(采取保護(hù)多年凍土原則設(shè)計(jì)路堤時(shí),能使基底人為上限維持在原天然上限位置的最小高度),并采取綜合的保溫措施后,一般人為上限最終均能較天然上限有所上升,或保持在天然上限的位置。因此,為保持路堤穩(wěn)定,防止基底人為上限下降,需要確定路堤的最小高度。確定路堤的最小高度,需要考慮多種因素。它既與區(qū)域氣候密切相關(guān),又與填料類(lèi)別、地表下泥炭層厚度及以下的凍土介質(zhì)特性和采取的保溫措施有關(guān),但最主要因素是區(qū)域氣候。國(guó)內(nèi)外有采用公式計(jì)算確定路堤最小高度的,但一般都根據(jù)調(diào)查資料經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后得出。我國(guó)青藏線確定用粘土填筑的最小高度為1.0m～1.5m。地下冰地段采用大值,飽冰地段采用中值,富冰地段用小值。2.5保護(hù)地表植被及泥炭層在地表多為活地被植物及泥炭層所覆蓋,這些活地被植物及泥炭層是多年凍土良好的保溫層。因?yàn)橹参锝橛诖髿鈱雍偷貙又g,積極參與兩者之間的熱量交換,對(duì)土的凍結(jié)和融化均有很大影響。尤其夏季,植物能遮擋太陽(yáng)的強(qiáng)熱輻射,減弱地表的受熱程度,減少進(jìn)入土中的熱量。因此,植被能降低地