多年冻土地区公路病害防治技术指南高原冻土Word格式.docx
《多年冻土地区公路病害防治技术指南高原冻土Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多年冻土地区公路病害防治技术指南高原冻土Word格式.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
7.6热融湖（塘）地段路基32
7.7冻土沼泽（沼泽化湿地）地段路基33
7.8支挡建筑物33
7.9路基排水34
7.10取土场、弃土堆35
8多年冻土地区公路路基施工36
9多年冻土地区公路病害防治措施38
9.1预防措施一——保温路基38
9.2预防措施二——通风管路基40
9.3预防措施三——低架旱桥42
9.4治理措施一——遮阳板护坡43
9.5治理措施二——碎石护坡45
9.6病害治理措施的养护47
1总则
1.0.1本指南主要根据青藏公路、214国道等研究较为深入的多年冻土区公路的观测资料分析总结并结合仿真分析研究而编制，对于其它多年冻土区公路的适用性还需要考虑当地气候、冻土环境的特殊性。
1.0.2本指南主要内容为多年冻土区路基工程方面的病害。
1.0.3本指南涉及多年冻土区公路路基设计一般原则、公路沿线多年冻土勘察、多年冻土区公路路基主要病害类型、病害形成机理、多年冻土区冻土工程地质条件稳定性评价、多年冻土区公路路基病害防治对策等方面的内容。
2术语、符号
2.1术语
2.1.1多年冻土
冻结状态持续二年或二年以上的土（岩）。
冻结状态下的多年冻土强度较高，但是由于其内部常常含有冰，冻土融化后往往发生融沉和融化压缩变形，强度大大降低，继而危害上部工程建筑物的稳定性。
2.1.2融区
指多年冻土区内由于热力作用形成的非多年冻土地段。
2.1.3地温年较差
某一深度处地温在一年中最高与最低温度的差值（一般按一年中最热月与最冷月的月平均温度计算）。
2.1.4年平均地温
指年温度较差为零深度处的地温。
年零较差的深度称为地温年变化深度。
2.1.5季节冻结层
每年寒季冻结、暖季融化，其年平均低温高于0℃的地表层，其下卧层为非冻结层或不衔接多年冻土层。
2.1.6季节融化层
每年寒季冻结、暖季融化，其年平均低温低于0℃的地表层，其下卧层为多年冻土层。
2.1.7多年冻土天然上限
天然条件下，多年冻土层顶面的埋藏深度。
2.1.8多年冻土人为上限
人为条件影响下，多年冻土层顶面的埋藏深度。
对多年冻土地区的公路工程而言，路基下人为上限等于路面到路基下多年冻土层顶面的距离。
2.1.9多年冻土下限
指多年冻土层下界面的埋藏深度。
2.1.10衔接多年冻土
直接位于季节融化层之下的多年冻土。
2.1.11不衔接多年冻土
季节冻结层的冻结深度浅于天然上限的多年冻土。
2.1.12融沉系数
冻土在融化过程中，在自重作用下产生的下沉量与融化前相应厚度之比值。
2.1.13融化压缩系数
指冻土在融化后，在单位荷载作用下产生的相对压缩变形量。
2.1.14冻胀率
指单位冻结深度的冻胀量，即在某一冻结深度范围内的冻胀量与响应的冻结深度之比值。
2.1.15冰椎
多年冻土地区地下水在寒季流出地表冻结所形成的冰体。
河流中形成的冰椎也叫冰幔。
2.1.16冻土沼泽
在多年冻土地区，由于地表水、地下水的影响，地面长期潮湿，生长喜湿和喜水植物，并有泥炭堆积的山前斜坡或山间洼地。
2.1.17冻胀丘
由土的差异冻胀作用所形成的丘状地形。
2.1.18热状（热管桩）
内部采用对流原理制作的汽－液两相或者单相液体工作的管状换热装置。
2.1.19融化盘
在工程作用下，多年冻结地基土的一部分发生融化，形如盘、盆状，故称融化盘。
2.1.20冻土核
指在天然地面上的工程填土内，残留或发育形成的冻土体。
2.1.21不良冻土现象
又称不良冷生现象，指土体的冻结和融化作用产生的对工程有不利影响的新形成物及中小型地形，如冰椎、冻胀丘、融冻泥流、热融滑坍和热融湖塘等现象。
2.2符号
2.2.1冻土物理力学性质指标
1
——冻土总含水率（%）；
2
——冻土相对含冰率（%）；
3
——冻土体积含冰率（%）；
4
——冻土天然密度（Kg/m3）；
5
——冻土骨架密度（Kg/m3）；
6
——冻土干密度（Kg/m3）；
7
——冻土塑性指数；
8
——冻土孔隙比；
9
——冻土融化下沉系数（%）；
10
——冻土层的平均冻胀率（%）；
11
——冻土未冻含水率（%）；
12
——土的液性指数。
2.2.2冻土热学性质指标
、
——冻土、未冻土导热系数（W/m·
K）；
——冻土、未冻土体积热容量（J/m3·
——冻、融土的相变潜热（J）。
2.2.3冻土季节冻结、融化层数
——多年冻土天然上限（m）；
——多年冻土人为上限（m）；
——年平均地温（℃）；
3冻土和冻土工程中的基本规定
3.0.1多年冻土具有融化下沉性，根据土的融化下沉系数
的大小，可以划分为不融沉、弱融沉、融沉、强融沉和融陷五级（参见附录A）。
3.0.2多年冻土按含冰类型可分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层等五类。
其中富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层又统称为高含冰量冻土。
各种含冰类型冻土的判别依据参见附录B。
3.0.3高原多年冻土的低温分区，按多年冻土年平均气温Tep，可分为以下四类：
1多年冻土年平均低温
-0.5℃时，属高温极不稳定冻土区。
2多年冻土年平均低温-1.5℃
<
-0.5℃时，属高温不稳定冻土区；
3多年冻土年平均低温-3.0℃
-1.5℃时，属低温基本稳定冻土区；
4多年冻土年平均低温
-3.0℃时，属低温稳定冻土区。
3.0.4多年冻土区各类工程地基设计应根据冻土的低温分区和工程地质分类进行，并遵循以下设计原则：
1保护多年冻土的设计原则；
2延缓多年冻土融化速度的设计原则；
3破坏多年冻土的设计原则。
3.0.5在高含冰量的低温稳定区和低温基本稳定区应采用保护多年冻土的设计原则。
3.0.6高温不稳定区应根据其使用条件和工程地质条件，经技术经济比选后，确定采用保护多年冻土的设计原则或延缓多年冻土融化速度的设计原则。
3.0.7高温极不稳定区应根据其使用条件和工程地质条件，经技术经济比选后，确定采用延缓多年冻土融化速度或破坏多年冻土的设计原则，或者采用消弱浅层冻土（譬如，低架旱桥等）影响的原则。
3.0.8按破坏多年冻土的设计原则，采取预先融化状态设计时，可按季节冻土进行地基设计。
4公路沿线多年冻土勘查
对公路沿线多年冻土的了解程度对于待建公路的设计、施工以及已有公路的病害治理具有重要意义。
众所周知，多年冻土最大的特点就是长期处于负温且含有冰，属极不稳定的复杂多相体系，其工程性质随温度、应力和水分变化而变化。
对于公路沿线多年冻土特征和分布的详细了解，一方面可以使得设计工作更加合理，另一方面可以促进公路的科学施工，同时也有利于认识已有公路病害的形成原因，提出更加有针对性的治理方案和措施。
4.1公路沿线多年冻土勘察的基本要求
公路沿线多年冻土勘察就是要为公路的设计、施工、病害治理提供完整、详细的冻土工程地质资料，为达到这一目的，公路沿线的多年冻土勘察应满足下列要求：
1查明表层至少8m以内的冻结与非冻结松散土层的分布，或者基岩面的埋深；
2查明表层至少8m以内的冻土特征和分布，确定冻土上限与冻土年平均地温，了解多年冻土的厚度；
3实验测定冻土的各项物理参数（包括总含水量、含冰量、容重等）；
4查明公路沿线的不良冻土工程地质现象，即冻胀丘、热融滑塌、热融湖沼、浅埋的厚层地下冰，富含冰的沼泽湿地等的分布特征和形成规律；
5调查地下水的分布与埋藏条件、着重查明冻土层上水以液相水存在的时间、最大的寒水层厚度，冻土层下水的排泄出露带、涌水量，水温及变化动态；
6查明地表水的分布与变化规律、径流量、季节性集水（汇水）地段、范围，对工程可能产生冲刷、侵蚀和融蚀的地段；
7查明现有工程各种病害的产生原因与分布，如道路冻胀隆起翻浆或热融湖塘、路肩崩坍、路面路基开裂，涵洞破损、桥墩台倾斜、断裂及房屋冻融变形破坏等。
4.2公路沿线冻土工程地质调查
工程地质调查通常包括对地面景观、自然与工程现象及露头的观察、填图，基础资料的收集和对代表性工点、居民点的访问。
通过公路沿线的冻土工程地质调查，可以初步确定冻土分布范围，划分冻土工程地质类型冰对工程地质条件进行初步评价，为全面的勘探、钻探、坑探、物探点的布设定位提供依据。
4.2.1公路沿线冻土工程地质调查内容
（1）收集工作区水文气象资料，特别是气温、低温、降水、河水流量及洪水资料。
目前，青藏高原多年冻土区内定点的水文气象台站较少，工作区内上述资料可能处于空白，为满足设计工作的需要，临时设点进行一些补充、对比观测是必要的，这应列入工程地质调查的整体计划中，最好是超前安排。
（2）调查不良冻土工程地质现象，进行相应的测绘工作与填图工作，对其危害性分别作出判断，提出防治工程病害方法措施。
具体调查内容包括以下几个方面：
a、冻胀丘，分布范围、规模大小、类型、一年生还是多年生、生成发育过程和消融过程、固定的还是活动的、补给水源（地表水、冻土层上水、冻土层下水）、水温、流量；
b、热融现象：
类型（热融滑坍、热融塌陷、热融坍塌）、分布的地形条件、发生的内外部因素（地形条件、土质与含水条件、自然水流的侵蚀与流水热融、植被、地表状况的认为破坏情况、人为挖方、挖掘坡脚）、规模大小（热融体深度、查过浓度、宽度）、热融体土层性质（最大容身、含冰量大小、富含冰土层厚度）、热融速度、发展趋势（初期、发展期、稳定静止期）；
c、沼泽湿地：
分布的地形条件（山间低洼盆地、山前平缓台坡和越岭平台）、规模大小、积水条件（沼泽水源补给、地表水、地下水、季节性或常年性）、沼泽土质类型（表面植被发育状况，上部覆盖是属草炭类型还是泥炭类型、厚度，最大融化深度，冻结层含冰量、厚度）；
d、厚层地下冰：
分布范围、厚度、埋深及形成发育条件。
4.2.2地下水调查
地下水调查一方面是为评价其可能产生的危害和危害程度提供可靠依据，同时也可以寻找供水水源。
常年存在的液相地下水特别是冻土层下水对路基、桥涵工程影响较大，表4-1可以作为初步判断的依据。
表4-1冻土层上水与层下水的判断参考依据
含水层
分布位置
液相水
存在时间
泉水涌水量
水温
伴生冻土现象
危害性
供水意义
冻土
层下水
山前断裂带
河谷断裂带
常年
较大（>
2L/S）、较大
稳定
排泄带每年均有冻胀丘产生
大
层上水
谷、盆地
河流阶地
季节性
（一般6～10月）
较小（<
1L/S）、间歇性
不稳定
偶尔有融冻滑塌产生
一般
暖季
4.2.3现有工程建筑物的调查是冻土工程地质调查的重要内容，尤其是青藏高原多年冻土地区。
现有工程的一些工程作用与现象可以作为是否存在多年冻土的指示。
对现有工程基础的稳定性分析可以帮助判断冻土的工程地质条件，同时工程的病害与成功案例可以为新的类似工程直接提供借鉴。
青藏高原东部多年冻土区主要的工程建筑是道路工程（路基与桥涵）和居民住房，对这些工程的调查应侧重如下内容。
路基病害：
确定路基基底的冻土工程地质类型，冻结基底的土层性质与物理性质，填土路堤的结构、成分与高度，道路建成运行时间，道路运行稳定性特征及病害特点，病害发生时间，病害类型，病害原因。
涵洞病害：
确定涵洞结构类型，基础埋深、基础土质类型与含冰性质，涵洞过水状况，冰塞现象，涵洞病害情况，涵洞病害的原因分析。
桥墩台病害：
调查桥墩台所处的冻土工程地质条件（土质条件、冻土条件、水文条件），墩台病害特征等。
房屋病害：
调查房屋地基土性质，冻土条件，基础类型与基础埋深，病害特征（墙壁热融沉断里、屋内热融下沉、冻胀～融化差异引起的墙壁裂缝、倾斜等）。
若是连续发生屋内及强体下沉现象，一般可以判断为多年冻土地基。
4.2.4融区调查
融区调查大致分为两大类，其一是分布于大片连续多年冻土区中的早期融区，其二是分布于多年冻土下界附近，近期冻土退化形成的融区。
前者分布往往成线状和带状，后者为片状。
正确确定融区有助于寻找良好的工程地质地段，以降低工程造价，确定居民点位置和供水水源地。
在地面调查阶段确定融区主要的依据是：
常年径流或者径流期长的大中江河的河槽、河漫滩阶地等；
地下水活动或直接作为排泄带的构造断裂破碎带，包括山前断裂、河谷断裂等，大部分存在融区。
这种融区类型除了地形标志外，地下水（泉）常年排泄、寒季冰椎的产生均可以作为判断依据，这是可以进一步通过测定浅层低温以判断其宽度与分布范围。
活动型冻胀丘多数是因周围多年冻土作为个水曾、融区含水层受季节冻结层作用（受压）而形成的，据此不但可以判断有稳定融区分布，而且可以判别其周围有多年冻土存在；
常年性给水水井，这也是融区存在的标志，如214过道上的温泉、黄河沿、玛多等地的水井和109国道上不冻泉水井，沱沱河沿水井均具有融区的标志作用；
冻土区内一些居民点，基础稳定，多年使用仍完好，一般多属融区；
道路工程，随填土高度较低，但经多年运行，路基稳定，极少有病害，这些路段也可能是融区。
4.2.5多年冻土的指示标志
在109国道唐古拉山以北、214国道巴颜喀拉山以北地区，海拔在4400m以上的均属多年冻土分布去，这些地段年平均气温一般低于-3.5℃，根据海拔来判断这些地段属多年冻土是容易的。
较难识别的是大山系间的河流、谷盆低洼地以及高山多年冻土分布下界附近的冻土岛，而判别这些冻土岛是工图工程地质调查阶段的主要任务之一。
据以下标志可以初步判断多年冻土是否存在：
（1）永久性冻胀丘和热融滑坍、热融崩塌等不良冻土现象是指示多年冻土存在的重要标志；
（2）每年7～9月间的道路热融深翻浆和民房基础多年连续热融下沉等工程病害也是多年冻土存在的重要标识。
下列现象可以作为冻土是否存在的参考指标：
残留小型冻胀丘群分布既可能表示冻土已退化消融，同时也往往可能指示有少量冻土岛存在；
在普遍较干燥地段分布相对发育的“植被岛”，及山前平缓台地，山间低洼的“植被岛”同时表示此处赋存多年冻土；
有些活动性小冻胀丘分布的沼泽湿地；
平缓干燥地段上的“湿地岛”（在暖季雨后更潮湿）等。
4.3公路沿线冻土工程地质勘探
公路沿线冻土工程地质勘探应在工程地质调查基础上进行，勘探点的布设应坚持点、线、面相结合，特别是在线路勘探中不搞勘探电平均布设。
工程地质条件单一、简单的地段，原工作程度较高地段和有可靠实践经验可借鉴的地段等可以减少勘探点和勘探工作量。
在下列地段则应增大勘探密度、增加勘探工作量：
厚层地下冰地段、沼泽湿地发育地段、低填浅挖地段、岛状冻土分布地段、融区与冻土过渡地段、典型工点和重点工程地段。
冻土工程地质勘探应采用综合勘探技术手段，特别要重视高技术的应用，以钻探为主导，以坑探为补充，以物探为联系及扩充，统一布置，互为一体。
4.3.1工程地质钻探
通过钻探工作要确定土岩特别是松散土层的组成成分、厚度及物理性质，冻土的组成成分、含冰特征与含冰量，冻结松散层厚度，天然冻土上限、天然最大融化上限，为冻土物理、热物理和力学参数测定提供样品，为冻土地温测量（冻土年平均地温等）提供测孔。
（1）钻孔布置
公路路基工程平均每公里5个以上钻孔，一般地段250m一个，简单地段300m一个，复杂地段100m一个。
挖方地段一般必须打孔。
路基钻孔深度一般不得小于8m。
（2）钻进与采样
冻土钻孔直径一般要求89mm以上，通常采用干钻，以低钻速、小进尺、多提钻来提高岩芯采取率和冻土样。
（3）岩芯的观察与编录
对岩芯的观察与编录除了要完成普通的编录以外，还要对冻土特征做详细描述，譬如冻土的含冰类型（参见附录B）、冻土的结构和构造（参看附录C），同时还要对冻土的融沉性进行现场初判（参见附录D）。
对少、多冰冻土岩芯和被钻探严重扰动的岩芯（在钻进速度较慢的碎石土地段，岩芯可能由于长时间的被摩擦而融化）而言，判断岩芯是否冻结比较困难。
因此，要仔细观察岩芯中残留的微量冰屑、冰晶花，可以借助放大镜观察；
观察冻融岩芯分界深度（即钻探时的融化深度），观察分析冻土上限位置和多年冻土含冰分布规律。
在大部分情况下，由于钻探工作并非在达到最大融化深度时进行，因此往往不能够通过岩芯的冻融界面来判断上限，此时经常采用的一个方法是观察岩芯中含冰量的变化，在含冰量变化显著的位置可能就表明此处就是上限。
准确的上限确定依靠测温资料、结合地表、土质、含水量、气候等因素综合判别给出。
（4）钻探取样
钻孔样品含水量与容重分析试验一般要在现场完成，有孔必做。
在冻土上限之上，一般取样间隔不得大于0.5m，在冻土上限附近（±
0.5m）取样点距不得大于0.25m，在多年冻土层内点距一般为0.3～0.4m。
若含水量与容重在垂向空间上分布较均匀，可以用“点取法”，若分布不均匀，最好用刻槽平均取样。
供测定热血参数的样品，一般不得少于2Kg，而供测定冻土力学参数的样品，一般不得少于10Kg，最好在15Kg以上，因此靠一钻孔采样往往满足不了要求，而需要采用多个钻孔联合取样。
对于道路工程热物理、力学参数试验仅要求取代表性土样进行试验，对道路工程每百公里取3～4个试样。
4.3.2工程地质坑探
坑探可以作为勘探点网的一个重要组成部分，布置于两钻孔间以增加勘探密度，也可用作钻孔的补充，弥补钻孔取样的不足，为观察冻土提供直观样品；
坑探也是判断多年冻土上限的重要手段。
坑探深度一般要超过冻土上限以下0.5～1.0m，细颗粒土坑探还可以配合钎探，扩大深度。
坑探大小一般为（0.8～1.0）×
（1.2～1.5）m，上宽下窄。
高原地区的旱天最适合探坑挖掘。
为防止冻土层上水或雨雪水深入探坑，应快速施工，当日开工，当日完成，并做好编录、取样和回填工作。
4.3.3地球物理勘探
地球物理勘探方法具有轻便、快捷的优点，结合钻探、坑探等资料可以把有限的点状地质资料推广至线状甚至面状的资料，大大提高了多年冻土勘探的地质信息含量。
根据目前的技术发展状况，我国的多年冻土物探主要采用探地雷达来完成，尤其是仅10a来，探地雷达已成为青藏高原多年冻土区和我国东北多年冻土区冻土探测的得力技术手段。
借助于钻探、坑探等常规探测方法，雷达探测可以确定多年冻土的分布界限以及多年冻土的上限，同时在部分路段也可以确定冻结松散层厚度和基岩埋深。
在公路工程中，雷达勘测通常采用每公里500个测点，在复杂路段测点要加密至每米至少1个测点。
在进行公路纵向地质雷达勘测时，探测深度一般在10m～16m之间；
在横向探测时，主要用来寻找上限的位置，探测深度一般选择8m左右。
使用探地雷达进行公路沿线冻土勘测的最佳时间在9～10月，此时季节融化深度一般都达到上限位置，有利于通过雷达波寻找上限。
探地雷达同其它物探设备一样，除了要结合钻探、坑探资料以外，沿线地形、地貌、地物、植被、路况等信息的记录，对于探地雷达资料的解译也是必不可少的。
4.4冻土温度的确定
确定冻土温度就是要确定多年冻土的年平均地温，在有些情况下还要开展一些辅助观测，譬如地中热流观测以及地面热量平衡综合观测等，这些资料在室内实验中一般是无法确定的，需要通过现场观测来获得。
冻土地温观测要提供可靠的温度场变化，而且要确定一批冻土特征参数，主要有地面解冻与冻结的起始时间、冻土上部融化层年最大融化深度出现时间、冻土上限深度、融化层完全冻结的时间、持力层的年最高和年最低地温及出现时间、冻土温度的年变化深度、冻土年平均地温以及冻土的地温梯度和变化趋势等。
要取得大部分的地温指标，钻孔深度一般要深于15m，最好能穿过多年冻土层或更深。
热敏电阻由于测温精度高、体积小，往往是多年冻土地区现场测温的首选。
埋设探头的方式有两种，一种是固定预埋于地下，这样可以较准确的测定地温；
另一种是活动式的，即在需要测温的位置，预埋测温管（钢管或者工程塑料管），在需要测温的时间把测温探头放入。
后一种方法可以减少测温设施被破坏的可能性，而且易于修复和更换传感器，有利于长期、反复使用，其缺点就是管内可能存在对流，影响测温的精度。
4.5冻土物理和力学参数的测试
公路工程中的冻土工程地质勘察不但有常规试验项目，而且有相当数量的冻土专项试验，这些试验有一部分是在室内完成的，譬如颗粒分析、未冻水含量等。
多年冻土的参数测试主要侧重于冻土的热学参数、融化变形指标以及部分力学参数。
冻土的基本热物理参数包括导热系数、热容量和导温系数，这三个参数是冻土热工计算的常用基本指标，在现场工程勘察中很难直接获得，常常要在试验室内来测定。
导热系数在室内多用稳定状态热流计法测定，现场多用不稳定态探针法测定（精度较低），热容量采用量热法来测定，而导温系数用正规状态法测定。
由于这些参数的测定需要的工作量较大，在实际应用过程中，常常采用查表法。
一般情况下，常见土类的热学参数可以从附录I中查得。
冻土的融化压缩系数和融沉系数常常用来表达冻土的融化变形性质，这两个指标分别参见附录E和A。
在多年冻土公路路基工程中，往往还需要知道冻土的容许承载力。
但是由于这个指标的测定非常复杂，再加上冻土结构的变异性较强，经常采用经验值（参见附录F）。
5多年冻土地区公路病害
5.1多年冻土地区公路病害类型和特征
根据对青藏公路、214国道、新藏公路、青海省其它多年冻土地区公路和东北多年冻土地区公路病害的调查和分析，多年冻土地区公路的病害主要是由于多年冻土的融化和季节活动层的冻融变化所引起，譬如路基沉陷病害、道路翻浆、路面不均匀冻胀等；
另外，在多年冻土地区由于气候严寒，一些局部的冰冻病害也时常发生，譬如涎流冰、冰椎、冻胀丘等。
5.1.1路基沉陷病害
路基热融沉陷病害是多年冻土地区最主要的病害类型，是多年冻土地区和季节冻土区、非冻土地区公路病害最根本的差别。
路基纵向的不均匀沉陷可以产生波浪病害，而横向的不均匀沉陷又可以诱发路基纵向裂缝。
在高含冰量的多年冻土区，尤其是在采用沥青路面的路段，往往由于冻土保护措施不够，路基下的多年冻土发生融化，最终导致路面波浪病害；
在阴阳坡差异显著的多年冻土路段，同样由于路基两侧下部冻土的不均匀融化，结果导致路基内部和路面出现纵向裂缝。
无论路面波浪，还是路基纵向裂缝，都严重降低了公路的行车能力和行车安全性。
在发生路基热融沉陷的路段，其路面病害率均显著高于其它路段，更高于季节冻土区和非冻土区的路面病害率。
多年冻土地区的路基沉陷病害几乎全部发生在高含
升级会员 