凍土路基病害成因及處理

1、最新【精品】范文 參考文獻 專業(yè)論文凍土路基病害成因及處理凍土路基病害成因及處理摘要：隨著我國公路建設(shè)事業(yè)的不斷推進，寒地凍土區(qū)域的公 路建設(shè)事業(yè)也取得了蓬勃的發(fā)展。從已建成的公路、鐵路等交通基礎(chǔ)設(shè)施運營效果看，多年凍土工程建設(shè)面臨著許多新的問題。尤其在高溫凍土區(qū)，如何在解決凍土路基熱穩(wěn)定性的前提下，保持路基工程的長期穩(wěn)定性問題，是目前凍土區(qū)道路工程研究的重要課題之一。本文首先分析了凍土路基病害的形成機理和凍土工程地質(zhì)特性，然后重點 探討了凍土路基病害的主要類型及成因，最后詳細闡述了凍土路基病害的治理措施。關(guān)鍵詞：凍土；路基；病害；凍脹翻漿；排水Abstract: as China's

2、 highway construction business, the continuous progress of the cold permafrost area highway construction business has made rapid development. From the completed highway, railway and other transportation infrastructure operation effect look, permafrost engineering construction is faced with manynew p

3、roblems. Especially in the high temperature permafrost region, and howto solve the frozen soil subgrade under the premise of thermal stability, maintain the long-term stability of the subgrade engineering, is the permafrost region road engineering research one of the important issues. This paper fir

4、st analyzes the permafrost roadbed disease formation mechanism and frozen soil engineering geological characteristics, and then probes into the frozen soil roadbed disease of the main types and causes, and finally elaborated on frozen soil roadbed disease control measures.Keywords: frozen soil; Subg

5、rade; Disease; Frost heave pumping; drainage中圖分類號：P642.14文獻標識碼：A文章編號：2095-2104 （2013）一、凍土路基病害的形成機理凍土是一種特殊土類，其特殊性主要表現(xiàn)在它的性質(zhì)與溫度密切 相關(guān)。常規(guī)土類性質(zhì)主要受顆粒的礦物和機械成分、密度和含水量控 制，多半表現(xiàn)為靜態(tài)特性。凍土的性質(zhì)除受上述因素控制以外，同時 它的性質(zhì)隨溫度和時間都在變化，表現(xiàn)為動態(tài)特性。所以，凍土是一 處對溫度十分敏感且性質(zhì)不穩(wěn)定的土體。隨著全球氣候的逐漸變暖和人類活動加強，多年凍土上限呈現(xiàn)出 下降的趨勢，多年凍土也在不斷退化，對路基路面的穩(wěn)定也造成了極 大威

6、脅。關(guān)鍵的是凍土在凍結(jié)、融化時具有特殊的物理、力學性質(zhì)變 化。土壤凍結(jié)時最重要的物理過程是水分的遷移和重分布，而凍土融化時最重要的是物理力學變化是結(jié)構(gòu)、 強度的急劇衰減。從而在凍融 循環(huán)中不斷地改變著土層的形態(tài)結(jié)構(gòu)和物理力學性質(zhì)，導致工程建筑 物基礎(chǔ)的反復變化與破壞。在大多數(shù)情況下，病害的發(fā)生發(fā)展過程與 變化結(jié)果具有單向、不可逆的規(guī)律。凍土地區(qū)筑路工作中的問題除了 一般寒區(qū)道路中常見的路基凍 脹、翻漿、路面凍融松散、低溫開裂外，還有凍土地區(qū)特有的道路病 害一一路基熱融沉降、邊坡熱融滑塌等。二、凍土工程地質(zhì)特性（一）凍脹融沉性凍土也具有熱脹冷縮的特性，凍土中的水發(fā)生相變，土的體積則 發(fā)生變化，當

7、大量的水分從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)時，土的體積便發(fā)生凍脹； 當水從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時，土便發(fā)生融化下沉，這就是凍土的凍脹融 沉特性。（二）熱穩(wěn)定性多年凍土土體溫度（簡稱地溫）是反映多年凍土熱穩(wěn)定性的重 要指標，即年較差為零的深度處的地溫。年平均地溫低，多年凍土的 蓄冷量大，熱穩(wěn)定性好；年平均地溫高，多年凍土的蓄冷量小，熱穩(wěn) 定性差。（三）對外界環(huán)境變化的敏感性一般情況下，多年凍土天然上限附近高含冰量凍土比較發(fā)育，由于其埋深淺，對環(huán)境變化極為敏感，例如氣溫升高、水對多年凍土的 熱侵蝕、生態(tài)環(huán)境惡化（如植被退化）導致多年凍土吸收的太陽輻射 熱量增加及人為活動引起多年凍土地溫場變化等。 這些因素都將導致 多年

8、凍土地溫升高、熱穩(wěn)定性變差。三、凍土路基病害的主要類型及成因（一）路基凍脹路基的凍脹病害是與氣溫、土質(zhì)及水源條件密切相關(guān)的，主要發(fā) 生在氣候嚴寒、季節(jié)凍結(jié)深度較大的地區(qū)和多年凍土地區(qū)。 其土質(zhì)以 細顆粒的粘性土為主，往往富含水分。工程上主要發(fā)生在土質(zhì)的淺路 塹和修筑在塔頭沼澤積水地段的較低路堤上。分析凍脹產(chǎn)生的原因主 要有以下幾個方面：路基基床表面不平整，積水凍結(jié)膨脹形成凍脹病害。其最大量很 少超過50 mm 一般最多在30 mrrr 40 mm多在25 mm以下。形成時 間從10月中旬，到11月末便趨于穩(wěn)定，一般產(chǎn)生在路基基床表面 往下30mnr 50 mm左右。2、碎石或混砂道床墊層不潔，

9、污染嚴重，混入泥土較多，遇積 水產(chǎn)生凍脹。當含泥量為 20%-50%寸，凍脹量可達10 mm-20 mm& 右，道床凍脹在時間上從10月中旬11月上旬基本穩(wěn)定。3、地表水或地下水（或淺層水）對路基土的不均勻浸濕。4、路堤填土不均勻及路塹基底土質(zhì)差異，因土的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)不 同，從而形成不同的凍脹病害。路基不同朝向形成的不均勻凍脹，如線路走向為東西向時，路基 有明顯的向陽和背陽坡，使路基填土的冬季含水量和凍結(jié)深度發(fā)生差 異，其結(jié)果是出現(xiàn)單側(cè)凍脹。路基凍脹不僅使路面高低不平，還容易導致公路的路面，特別是 混凝土剛性路面產(chǎn)生裂縫，這種裂縫多呈縱向分布，且經(jīng)凍融反復作 用而不斷加寬，嚴重時使路面呈

10、破碎狀。凍脹造成的道路破壞，對公 路尤其是高速公路危害極大，輕者給行車帶來障礙，重者造成行車事 故。（二）路基凍融翻漿在高寒凍土地區(qū)，由于在土壤凍結(jié)過程中匯聚了過多的水分， 且 土質(zhì)狀態(tài)不好，到春暖化凍時水分不能及時排出，從而造成土基軟弱， 強度降低。在車輛荷載的作用下，路面發(fā)生彈簧、裂紋、鼓包、車轍、 唧泥等現(xiàn)象，稱為凍融翻漿。路基凍融翻漿的原因有以下幾點：1、氣候。秋末初冬，形成較大的溫差梯度。由于土中薄膜水具有 自高溫向低溫轉(zhuǎn)移的特性，較大的地溫差，將使深部的土中水向基床 上聚集，結(jié)成扁冰體。初冬氣候溫和，降溫緩慢，使凍結(jié)線在基床上層 滯留時間較長，造成水分向上聚集的有利條件。春寒較長，

11、晚春氣溫急 劇回升，基床上部土融化較快，大量的融凍水分無法排出，又來不及蒸 發(fā)，形成流塑狀泥漿。2、水源。秋末多雨，凍結(jié)前土基原始含水量大。臺地區(qū)域上層 滯水或丘陵區(qū)域的層間水豐富，地下水位偏高。土層凍結(jié)具“開系 統(tǒng)”條件，地下水位在凍層附近。地表排水系統(tǒng)不暢，積水較多，或路 基有道硝梢積水，向基床滲透聚集。最后，側(cè)溝積雪較多，春融期又遇 降水，造成融凍層濕度惡化。3、行車荷載車輛動荷載通過松軟基床時，動應力將遠遠超過基床承載力，特 別由于翻漿基床的存在，成為翻漿冒泥的直接原因。道路翻漿地段對行車安全造成極大危害。（三）路基熱融沉陷多年凍土天然上限附近的細粒土和有一定量細粒土充填的粗顆 粒土中

12、，往往存在厚層地下冰和高含冰量凍土，由于其埋藏淺，受氣 候、生態(tài)、微地貌、水文條件等天然因素和各種人為活動的影響很容 易融化，天然上限下降，融化后的土體在其自重作用下發(fā)生融沉。由 于修筑路堤或開挖路基，破壞了凍土的保護層或使凍土上限上升， 加 之路基填土高度不夠，路基排水不暢等原因，導致路基土層發(fā)生熱融 沉陷，從而使路基沉陷變形破壞。具體表現(xiàn)為路基下沉 ，路堤向陽側(cè) 路肩及邊坡開裂、下滑，路塹邊坡滑塌等。融沉的特點有：1）突然的大 量下沉；2）周期性的持續(xù)下降。（四）路基邊坡熱融滑坍凍土路塹開挖后，凍土埋藏深度將變淺或完全暴露在大氣當中，固態(tài)冰開始融化，土體飽水，強度急劇下降，如果處理不當，將

13、會引 起路塹邊坡開裂、溜坍、下滑。在有厚層地下冰分布的地區(qū)，由于路 基的修建而破壞了土層的熱力平衡狀態(tài)， 而使其發(fā)生熱融滑坍，導致 路基邊坡發(fā)生滑溜或坍塌，這種病害主要發(fā)生在挖方地段或高度不足 的低填方路段。(五)冰害冰害主要是指在路堤上方出露地表的泉水或開挖路塹后地下水自邊坡流出，在隆冬季節(jié)隨流隨凍，形成積冰掩埋路基頂面或邊坡掛 冰、塹內(nèi)積冰等病害，是發(fā)生在寒冷及嚴寒地區(qū)特有的路基病害，在 嚴寒的多年凍土地區(qū)則尤為嚴重。四、凍土路基病害的主要治理措施(一)排水措施1、做好路基排水良好的路基排水可防止地面水或地下水侵入路基，使土基保持 干燥，減少凍結(jié)過程中水分聚流的來源。路基范圍內(nèi)的地面水、地

14、下水都應通過順暢的途徑迅速引離路 基，以防水分停滯浸濕路基。為此，應重視排水溝渠的設(shè)計，注意溝 渠排水縱坡和出水口的設(shè)計。在一個路段內(nèi)重視排水系統(tǒng)的設(shè)計， 使 排水溝渠與橋涵組成一個完整的通暢的排水系統(tǒng)。為降低路基附近的地下水位，可采用有管滲溝；為攔截并排除流 向路基的地下水，可采用截水滲溝，同時考慮冰凍深度的影響。加強路梢排水在凍脹與翻漿嚴重地段，應注意做好路梢排水，通常采用設(shè)砂墊 層和橫向盲溝等措施進行路梢排水。(1)鋪設(shè)砂墊層砂墊層在融期可起蓄水、排水作用，能隔斷毛細水上升，可防止 融期路基泥漿上擠污染路面結(jié)構(gòu)層，冬季對路基凍脹可起緩沖作用， 從而減輕路面凍脹。在盛產(chǎn)砂石地區(qū)，可以采用鋪

15、設(shè)砂墊層排水，防 止凍脹和翻漿。(2)加設(shè)橫向盲溝道路縱坡大于3%勺坡腰翻漿路段，當中級路面基層采用透水性材料時，為了及時排出透水層內(nèi)的縱向水流和春融期土基化凍時的多 余水分，可在路梢下設(shè)置橫向盲溝。橫向盲溝可設(shè)成人字形，縱向間 距10m左右，深度2040cmi寬40cm左右，填以沙礫等透水性好的 材料，出口按一般盲溝處理。（二）保溫護道保溫護道也是整治路基病害的一種常用措施。 作用是加強對路基 邊坡、坡腳處凍土的保護厚度，減少氣溫對多年凍土的影響程度和范 圍；同時也起到防止路基坡腳積存水體和滲入的作用。但是，對護道的填筑材料、斷面結(jié)構(gòu)形式和尺寸及防滲水能力要 有周密的考慮和設(shè)計。然而，過去填

16、筑的保溫護道明顯存在不足，多 數(shù)已起不到保溫作用而失效。過去也曾采用過片石護道，但實踐證明， 在多年凍土地區(qū)采用片石護道非但不能約束路基底的下沉側(cè)擠，反而加速了基底的融化下沉。它只能在不破壞凍土原則的情況下采用。對路堤和路塹邊坡的坍塌和熱融滑坍病害的工程措施， 常用的有 護道及具有支撐作用的護坡。護道主要適用于較高的路堤，可用成臺 階式，主要針對由于季節(jié)性凍融界及過陡情況下的邊坡坍塌變形。而對于邊坡變形所采用的片石護坡則有過深刻的教訓即不具支撐作用 的、較薄的無結(jié)構(gòu)片石擴坡不能抵御凍融變形的破壞，反而加劇邊坡變形。（三）換土當采用水穩(wěn)定性好、冰凍穩(wěn)定性好、強度高的粗顆粒土換填路基 上部時，可以

17、提高土基的強度和穩(wěn)定性。換土措施的使用條件為：因路基標高限制，不允許提高路基，且附近有粗粒土可用時；原有路基土質(zhì)不良，需鋪設(shè)高級路面時。換土層厚度可根據(jù)地區(qū)情況、公路等級、行車要求以及換填材料 等因素確定。根據(jù)一些地區(qū)的經(jīng)驗，在路基上部 6080cm厚的范圍換填粗粒 土，路基可以基本穩(wěn)定，換土厚度也可以根據(jù)強度要求，按路面結(jié)構(gòu) 層厚度的計算方法計算確定。（四）土工布、EPS導溫墊床土工布具有隔離、滲濾、排水、加固和強化土體的作用，在整治 一般翻漿中已廣泛應用。EPS是鐵科院鐵建所試驗研究的一種新型防 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 過程加工而成的泡沫材料。試驗證明

18、，密度為45kg/m3的EPSM料， 吸水率小，含氣量高，導溫系數(shù)小，在受水浸濕時仍有較好的隔熱效 果，且能滿足動荷載為200kPa的強度和變形要求。近幾年已在寒冷 地區(qū)整治路基凍害中多處使用，效果良好。（五）采用遮陽棚調(diào)控輻射應用遮陽棚遮擋路堤，可以有效地保護路堤、邊坡及鄰近區(qū)域。 采用遮陽棚這一方法措施來給路基土降溫， 是利用遮陽棚來預防路堤 堤身與基底土免受直接太陽輻射和雨雪水的影響，因為這些都是造成路基底凍土層退化和線路沉陷的主要原因。實質(zhì)上，遮陽棚對路堤堤身和基底土的冷卻作用，類似于多年凍土地基上的房屋和建筑物地下 室利用室外空氣自然通風對地基實施冷卻作用。為了提高遮陽棚對太陽輻射的反射率，增加遮陽棚