多年冻土公路工程地质研究.docx

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多年冻土公路工程地质研究

西部交通建设科技项目

合同号：

200231800001

：

多年冻土公路工程地质

研究报告简本

中交第一公路勘察设计研究院

2004年12月

中文题名

多年冻土公路工程地质研究

英文题名

StudyonHighwayEngineeringGeologyofPermafrost

交通编号

项目来源

西部交通建设科技项目

单位编号

合同号

200231800001

分类号

项目起止年限

2002~2004

第一完成单位

中交第一公路

勘察设计研究院

项目负责人

路勋

报告撰写人

路勋

霍明

贾志裕

汪双杰

范昭平

项目主要参加人

主要参加人员

路勋、霍明、汪双杰、贾志裕、章金钊、张建明、范昭平、俞祁浩、张敏静、刘永智、刘运平、刘汉启、刘卫民、刘晓、童长江、葛建平、王家鼎、郭爱侠、吴青柏、程凇

中交第一公路勘察设计研究院

路勋、霍明、汪双杰、贾志裕、章金钊、范昭平、张敏静、刘运平、刘汉启、刘卫民、刘晓、王家鼎、吴水军、王望平、黄强盛、郭爱侠

中科院寒区旱区环境与工程研究所

张建明、俞祁浩、刘永智、童长江、吴青柏、郭东信、陆子建、冯文杰

铁道部第一勘察设计院

葛建平、程凇、孙立民、包黎明、曹元平

主题词

多年冻土、公路、工程地质

关键词

多年冻土、勘察技术、综合使用、工程区划、冻土温度、工程分类、路基稳定、预测模型、勘察标准、质量控制指南、高速化

报告摘要（500字以内）：

本项目以多年冻土为研究对象，根据公路工程的特点，系统地研究了多年冻土公路工程地质区划、分类、勘察技术标准、勘察方法以及冻土现象对公路稳定性的影响。

针对不同地区、不同冻土特征工程项目的冻土勘察方法进行了对比和综合应用研究，提出了多年冻土公路工程综合勘察技术。

提出了《多年冻土地区公路工程地质勘察标准及质量控制指南》，完善了现行规范中的相关规定。

系统论证了国内外冻土区划、工程分类的优缺点，提出了适合我国公路工程特点不同层次的区划方案和指标，首次在考虑了多年冻土融化先决条件—冻土温度这一重要因素的基础上提出了适合我国公路工程冻土分类方案。

从路基状况、工程地质条件、温度场、环境等多个方面进行分析研究了公路修筑后冻土地基的热状态变化与变形，地下水变化等对路基稳定性的影响及基本对策。

建立了青藏公路冻土路基最大冻融变形量的模型。

建立了沉降变形预测模型，为预测变形、研究冻土路基变化规律提供了有力的支持。

为青藏公路的高速化建设提供必要的技术储备。

Abstract（lessthan300words）：

Aseriesofresearchisperformedonthepermafrostaboutthegeologicalengineeringzoning,classification,surveymethodsandtheimpactoffrozensoildisasteronhighwaystability.Aguidetogeologicalengineeringsurveyandqualitycontrolinpermafrostwasproposed.Severalachievementswereobtainedfromthestudy.First,thestatusquoofgeologicalengineeringzoning,classificationbothnationallyandinternationallyareillustrated;andthezoningandclassificationmethodsindifferentconditionspertinenttothecharacteristicsofhighwayprojectsinChinaaresetup.Second,apioneeringanalysisofgeologicalengineeringzoningundertheconditionoffrozensoiltemperature,whichisthepreconditionofthawcollapse,wasundertaken.Alsotherelationbetweenroadbedstabilityandroadbedconditions,geologicalengineeringconditionsandenvironmentalconditionswasrevealed,respectivelyandcollectively.Third,thefrozensoilthawcollapsepredictionmodelwassetuptoinvestigatetheruleofthawcollapseandpredicttheamountofthawcollapse,whichwouldbeofgreatvalueinguidingtheconstructionsofQinghai-Tibetexpresshighwayinthepermafrostarea.

目录

引言1

1．项目研究目的意义1

3．主要研究内容及实施方案2

4．多年冻土勘察技术研究2

5．多年冻土的公路工程地质区划研究4

6．多年冻土的公路工程分类研究6

7．冻土现象对公路路基稳定性影响评价7

8．多年冻土公路路基最大冻融变形量的模糊信息优化处理模型及冻融变形的预测技术研究8

9．项目的经济、社会、环境效益及推广应用前景10

10．结束语11

引言

项目概况

《多年冻土公路工程地质研究》是交通部西部交通建设科技项目立项的研究课题《多年冻土地区公路修筑成套技术研究》的第一课题，合同编号为200231800001。

本课题自2002年7月正式立项，历时2.5年时间，于2004年12月完成了项目研究报告的编写。

本课题承担单位是中交第一公路勘察设计研究院，参加单位为中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和铁道部第一勘察设计院。

总体目标

多年冻土公路工程地质研究是多年冻土地区公路修筑技术研究中的基础性研究工作，通过本课题的研究，对国内多年冻土区公路工程地质区划、分类、勘察技术标准、勘察方法等进行全面的、系统的研究，以便指导冻土区公路工程地质勘察或相似条件下的公路工程地质勘察，为青藏公路的高速化建设提供必要的技术储备。

1．项目研究目的意义

中国的多年冻土面积占国土面积的22.3%，在世界上占第三位，分别分布在我国西南、西北和东北地区，其中高海拔多年冻土面积则为世界之最。

随着中西部经济发展步伐的加快，尤其是中央实施西部大开发，在解决各类冻土问题中，冻土的系统研究具有重大的经济、政治意义。

“十五”期间我国集中力量建设西气东输、西电东送、青藏铁路、青藏公路等一批具有战略意义的重大项目都面临着冻土问题。

青藏公路自1954年始建以来，一直是进出藏最主要通道上唯一的运输线，承担着85%—90%的进出藏物资货运量以及67%的客运量，对西藏地区的政治稳定、民族团结、社会发展、经济繁荣和我国的西南边防建设起到了决定性的作用，被誉为西藏的“生命线”。

然而，由于青藏线穿越青藏高原腹地高海拔、低纬度的多年冻土区，冻土灾害时有发生，造成公路路基不均匀沉陷、波浪、滑溜，局部路基开裂等，沥青路面则表现为纵缝、横缝、网裂、龟裂，局部路段存在坑槽、松散、泛油等病害，严重影响了青藏公路的通行能力，严重制约了该地区的经济开发、建设与发展，同时给该区的国防建设等也带来了一定的影响。

青藏公路自20世纪70年代以来经历了1973～1985年的二次改建及1992～1996年、1996～1999年一、二期整治大修，2001年6月青藏铁路工程的开工更是对青藏公路提出了更高的使用要求，但是由于多年冻土的特殊性以及铁路与公路所面临的具体问题不同决定了多年冻土区与一般地区的公路工程地质勘察的常规方法及勘察项目存在较大的差异性。

同时，我国地域辽阔，不同的地区——如东部冻土区、西北冻土区、西南冻土区等，其冻土特征亦不相同，使得冻土区工程地质勘察套用现行有关技术标准缺乏合理性。

目前执行的规范、规程也只对其钻探、试验方法等也只作了一般规定，对于工程物探在冻土区工作方法涉及较少。

特别是国家十一五规划已经将青藏公路高速公路建设提上日程，由于青藏高原特殊的地理环境，高速公路修筑将面临着比青藏公路复杂得多的冻土工程地质病害问题，高速公路本身的安全、高速、舒适的行车要求也将结合公路建设提出更高更新的目标。

因此，有必要对国内多年冻土区公路工程地质区划、分类、勘察技术标准、勘察方法等进行全面的、系统的研究，以便指导冻土区公路工程地质勘察或相似条件下的公路工程地质勘察，为青藏公路的高速化建设提供必要的技术储备。

3．主要研究内容及实施方案

3.1主要研究内容

3.1.1多年冻土勘察技术研究

3.1.2多年冻土公路工程地质区划研究

3.1.3多年冻土公路工程分类研究

3.1.4冻土现象公路路基稳定性影响评价研究

3.1.5多年冻土公路路基最大冻融变形量的模糊信息优化处理模型及冻融变形的预测技术研究

3.2采用的研究方案、技术路线

本项目以多年冻土地区存在的公路工程地质问题为研究对象，通过对国内外多年冻土的研究成果进行调研和对依托工程进行现场勘察、试验以及观测等工作，以多年冻土勘察技术研究、多年冻土公路工程地质区划和工程分类研究、冻土现象公路路基稳定性影响评价研究三个专题的形式展开研究。

具体采用理论与实际相结合，调查研究和分析相结合，试验研究和计算分析相结合，定量和定性相结合的研究方法。

4．多年冻土勘察技术研究

4.1遥感技术在多年冻土勘察中的研究

在多年冻土地区利用航空遥感图像进行冻土工程地质调查,以替代繁重的地面调查工作,较一般地区更显得必要。

高原上利用遥感图像判释冻土工程地质较一般地区效果更好些,其原因是高原自然景观单调,冻土不良地质现象所形成的各种花纹图案,显得醒目易判,为遥感图像判释提供了有利条件。

利用航空遥感图像进行冻土不良地质判释,配合线路方案比选,可选出工程地质条件较好的线路方案,并可起到事半功倍之效。

本研究结合新藏公路路线勘测,选择新藏公路奇台大坂～区界公路翻越奇台大坂多年冻土地区，进行深入的遥感图像判释，并将遥感影像与实际的现场调绘资料进行了对比（图4-1）。

通过本次研究认为，在多年冻土地区采用遥感技术进行公路工程地质调查，易于发现常规地质调查难以发现的地质现象。

从遥感图像上提供的带状构造信息，可识别规模较大的隐伏的多年冻土区。

公路工程遥感应用于工可阶段，易于进行最佳路线方案的选择，能提高勘探效益，缩短可行性研究周期，节省工程勘探投资。

通过对各种工程地质要素的解译，结合地形高程数据分析、区域地质和工程地质条件，选择最佳路线方案。

4.2多年冻土工程地质钻探

多年冻土地区气候严寒，冬季漫长，负温期长。

夏季短暂，雨量集中、地表潮湿积水，河流泛滥。

为了鉴定冻土结构和含冰情况以及进行其他试验，必须采取冻结的原状岩芯。

因此，在钻探过程中首先要避免和减少冻土的融化。

这是确保钻探质量的技术关键。

此外，选择有效措施，克服天寒地冻、交通不便等困难，保质保量地完成钻探工作。

4.3多年冻土工程物探技术在冻土勘察中的应用研究

4.3.1探地雷达在多年冻土工程地质勘探中的应用

本项勘测工作重点进行的多年冻土上限附近冻土类型的识别工作，以及对上限附近不同多年冻土的类型的空间分布情况的调查。

此项工作为青藏公路多年冻土区勘测中的创新性工作，将为青藏公路的整治改建工程提供重要的基础资料。

为检测探地雷达在多年冻土勘测中的实际应用效果，选择黑北公路K84+800～K85+030进行了探地雷达勘测。

勘测剖面为沼泽地靠近边缘地带从沼泽地到非沼泽地的一条探地雷达实测剖面（图4-2）。

剖面全长230m，工作步长0.5m，在剖面30米的位置有一钻孔。

通过钻孔取样（图4-3），钻孔剖面为地表以下至0.25m为草炭层，至0.8m为泥炭层（两者的平均含水量为22.6％），至2.1m为亚粘土（含水量为12.2％），以下为亚沙土夹碎石土，钻孔深度为3m。

多年冻土上限为1.7m,整体状构造，肉眼可见少量冰晶，多冰冻土。

2.1m左右，厚层状构造，冰层厚度大于10cm,纯冰中含有少量气泡，含土冰层。

2.85往下冰呈包裹状，含冰量较大，为饱冰冻土--含土冰层。

由此可以看出，应用探地雷达对寒区下伏冻土分布区域、分布类型、多年冻土上限等关键内容进行勘测，无疑是一条快捷、准确、高效的便捷之路。

4.3.2综合工程物探研究

物探方法是工程地质调查中一种成本低、效率高的有效手段，其目的与其他地质方法相互配合，以达到更迅速、经济地取得正确而全面的地质结论和评价。

其基本任务是通过测定各地质体物理变化及有关物理参数来探查地质体的分布及其工程地质特征。

由于物探方法是利用的地层物性差异而进行工作的，各种物性反应在物探仪器中被我们识别，具有一定的交叉性，即看似相同的物性可能代表不同的地层特征，相同的地层特征表现出不同的物性特点等，而且物探资料的解释是有已知到未知的，所以物探方法的多解性在某种程度上制约着它的使用。

但是我们可以利用多种物探共同工作，利用多种物性特点来最大限度地降低这种多解性，即综合工程物探。

4.4冻土地区各种勘察技术的组合及应用范围.

采用综合勘察手段，其中工程地质调查是分析冻土、地质构造发育特征与地形地貌、地层岩性、地质构造、水环境关系的基础；物探手段能初步判断异常带，但存在有条件性、解释结果多解性等局限性，故不能单以物探成果直接作为工程设计与基础处理的依据；钻探工作应在地质调查和物探指导下有目的进行，进一步探明地质体发育的具体情况。

综合应用多种勘察手段，能避冻土地区勘察片面性、局限性，提高地质成果资料的精度。

目前在冻土工程勘察中，工程地质测绘，钻探、物探和土工试验间的联系不够密切。

工程地质测绘人员提供的资料没有很好的得到勘探人员的使用，现场勘探人员按照岩土工程勘察规范进行勘察取样，将取出的土样送到试验室。

试验人员按照《土工试验规程》进行，不考虑工程的重要性、特殊性，所遇到的土工是否具有特殊性，或是否要求进行特种试验，试验重点如何等，只是凭任务单进行试验。

结果造成这种看上去分工明确、各负其责，但是，正是这种互不超越的关系，造成了冻土区勘察中整体性的缺乏，这是过去人类认识能力和手段的局限性形成的。

但这种分割使测绘、现场勘察、土工试验互相脱节，造成了许多矛盾。

不同工程的试验内容基本相同，勘察中取样无代表性，而导致重新勘察、补孔取样和试验的现象。

从而导致工程中人力、物力和财力的浪费。

要改变冻土勘察中的这种情况，需要在勘察中改变现有的组织结构。

将以职能为单位的管理结构向以任务为中心的管理组织结构转换，减小项目组织中的等级，建立平行等级为主的模式。

实践证明，调整后的组织结构能更有效的提高冻土区的勘察效率，减少成本。

在多年冻土地区勘察的研究中，主要就工程地质调查与测绘、钻探技术、地球物理勘探方法以及多年冻土的土工试验与变形监测等方面进行了探讨，研究了诸如3S技术、空气钻进技术、探地雷达、计算机数据采集系统等方法与技术在多年冻土勘察中应用的可行性和前景。

尽管各种新技术还有许多不成熟和完善之处，但运用新技术的效率优势和成本优势是很明显的，改进后的新技术的应用是将来多年冻土地区勘察的必然选择。

除了对各种勘察方法和手段进行创新改进之外，对勘察的各个阶段和工序进行有效的整合和优化是提高多年冻土地区勘察质量，减小勘察成本的有效的途径。

因此，勘察技术的一体化必将成为将来的多年冻土地区工程地质勘察的重要运作方式。

5．多年冻土的公路工程地质区划研究

5.1区划的原则和方案研究

在多年冻土自然区划方法论问题上，存在着综合性原则和主导因素原则的分歧。

结合冻土发育规律我们有理由采用以主导性原则为主，综合性原则为辅的原则进行多年冻土的区划工作，即在一级、二级区划工作中主要以年平均气温、纬度和海拔指标为主，在区划过程中同时也要注重一个区域内多年冻土的分布连续性和分布共有特征。

在三级区划工作中在满足条件的地区主要以年平均地温进行建设公路沿线多年冻土的区划，在没有条件的地区参照年平均气温，或通过年平均气温、纬度和海拔与年平均地温的相关关系进行建设公路沿线多年冻土的区划。

同时，结合多年冻土的冻土类型、地温状况进行多年冻土的辅助分类。

5.2冻土的一、二级区划方案研究

我国冻土的一级、二级区划划分如表5-1所示。

表5-1我国公路工程冻土的一级、二级区划表

一级区划

二级区划

Ⅰ高纬度多年冻土

Ⅰ1大兴安岭北部大片多年冻土亚区

Ⅰ2-1大兴安岭南段西坡与呼伦贝尔高平原岛状多年冻土亚区

Ⅰ2-2大小兴安岭东、西坡丘陵及松嫩平原北部岛状多年冻土亚区

Ⅰ2-3小兴安岭低山丘陵岛状多年冻土亚区

Ⅱ高山多年冻土

Ⅱ1阿尔泰—北塔山山地多年冻土亚区

Ⅱ2天山山地多年冻土亚区

Ⅱ3阿尔金山—祁连山山地多年冻土亚区

Ⅱ4喜马拉雅山山地多年冻土亚区

Ⅲ高原多年冻土

Ⅲ1青南—藏北高原北部大片多年冻土亚区

Ⅲ2藏北高原南部岛状多年冻土亚区

Ⅲ3青藏高原东南缘山地岛状多年冻土亚区

5.3多年冻土公路工程地质三级区划

在多年冻土区通过公路工程与多年冻土的相互作用，表现出主要的工程问题为融沉，通过路面纵向开裂、边坡失稳、不均匀沉降等工程病害加以表现，其次还包含冻胀、路面网状开裂、翻浆等其它工程病害。

导致这些问题的根本原因在于路基下部的多年冻土的状况发生了变化。

这种变化主要体现在冻土温度的变化上，并通过冻土的压缩强度的降低、冻土中冰的消融和迁移加以表现。

而产生这种工程问题的强度又与冻土类型密切相关，即地下冰的存在形式和多少决定了产生工程问题的严重程度。

所以，从产生工程病害的角度来看，冻土温度场的状况和变化是产生问题的条件，冻土类型是产生问题的基础。

因此，在第三级区划中就要注重公路稳定性的特殊要求，才能使区划工作系统化和切合实际工程需要。

该级区划方案主要为，根据多年冻土年平均地温和多年冻土类型两个指标的结合，将冻土划分为三个区划：

稳定区、基本稳定区和不稳定区。

并对各个区域给出冻土工程地质条件评价和工程建议。

表5-2我国公路工程冻土的三级区划表

年平均地温

冻土类型

低含冰量冻土

（少冰和多冰冻土）

高含冰量冻土

（富冰、饱冰和含土冰层）

低温冻土（<-1.5℃）

多年冻土稳定区

多年冻土热稳定区

高温冻土（≥-1.5℃）

多年冻土热不稳定区

6．多年冻土的公路工程分类研究

6.1公路工程冻土分类标准研究

多年冻土的工程分类应以冻土地基的冻融作用对工程建筑物的影响为根本原则，并结合工程实践及大量的室内外试验资料确定分类的指标。

针对公路工程而言，冻土的分类应在广泛收集前人有关冻土路基病害调查资料，归纳总结我国多年冻土地区道路工程主要病害类型的基础上，深入分析道路病害主要类型产生的原因，确定公路工程多年冻土分类的原则，选择分类的指标，并根据现场观测资料及路况调查制定相应的路基稳定性判定标准。

通过以上病害类型统计资料可以看出，多年冻土区公路工程发生病害的主要类型为热融下沉。

此外，随后开展的多次路基病害调查结果也证实，沥青路面对路基下多年冻土热平衡状态的改变，导致地基土中出现融化盘和融化夹层是冻土路基发生病害的根本原因，青藏公路的破坏有80%以上是由于路基下冻土的融化下沉造成的，其中含有融化夹层的路段占90%以上。

由此可见，公路工程的多年冻土分类原则应主要考虑冻土的融沉问题，分类的指标应以控制路基稳定性的融沉变形量为标准。

由于在冻土路基的融沉变形计算中，不仅需要考虑冻土的岩性、含冰量以及初始温度等诸多因素，还必须考虑多年冻土与路基路面的相互作用，因而这一分析过程可以综合地反映冻土的基本物理力学性质及工程活动对冻土路基稳定性的影响。

同时，由于冻土路基的融沉变形量可以直接作为衡量路基稳定性的标准。

因此，在公路工程的多年冻土分类中以冻土路基的融沉变形量（而非融沉系数）作为控制指标是比较合理且有实用价值的。

6.2影响分类指标的主要因素

影响公路工程多年冻土分类指标的主要因素就具体表现为冻土的融沉系数以及多年冻土融化层的厚度。

前者主要取决于冻土的含冰特征，而后者不仅取决于冻土的含冰特征，而且与冻土的温度有关，是冻土热稳定性的体现，反映了多年冻土与路基路面相互作用的结果。

通过研究，公路工程多年冻土分类应主要考虑不同冻土条件（冻土温度、含冰量）以及不同路基路面结构下冻土路基的融沉变形问题，并根据冻土路基的最大容许变形量提出以冻土路基稳定性为标准的冻土工程分类方案。

为了确定冻土路基的融沉变形量，首先必须确定多年冻土的融沉系数，其次必须针对一定的路基路面条件计算路基下多年冻土的融化深度，最终得出不同冻土条件及不同路基路面结构下冻土路基的融沉变形量

6.3公路工程冻土分类方案

通过以上研究，以多年冻土的年平均地温及含冰特征为主要影响因素，以控制冻土路基稳定性的最大容许沉降量为指标，提出以冻土路基稳定性为标准的公路工程多年冻土分类方案（见表6-1）。

其中，按照多年冻土的年平均地温可将其分为高温冻土及低温冻土，按照多年冻土的含冰量可将其分为高含冰量冻土及低含冰量冻土。

综合考虑二者对冻土路基稳定性的影响可将其分为三大类型：

融沉稳定型、热稳定型及不稳定型多年冻土。

表6-1公路工程多年冻土分类方案

含冰类型

年平均地温

低含冰量冻土

高含冰量冻土

少冰冻土

多冰冻土

富冰冻土

饱冰冻土

含土冰层

高温冻土

≥-1.5℃

融沉稳定型冻土

不稳定型冻土

低温冻土

<-1.5℃

热稳定型冻土

针对以上多年冻土分类方案，可以确定相应的冻土路基设计原则：

（1）对融沉稳定型冻土，虽然在公路工程作用下其冻土上限变化很大，但由于其融化后所产生的沉降量不大，可采取允许多年冻土自由融化的设计原则。

（2）对热稳定型冻土，由于其热惰性较大，公路工程作用下其上限的变化不会太大，但考虑到其融化后产生的沉降量较大，应采取保护冻土的设计原则，如修筑路堤、铺设保温材料等。

（3）对不稳定型冻土，由于其热稳定性较差，并且融化后所产生的沉降量较大，须采取主动冷却多年冻土地基、控制多年冻土融化速率的设计原则，如埋设热桩、设置抛石护坡、安置遮阳板（棚）、铺设浅色路面等。

7．冻土现象对公路路基稳定性影响评价

1．从工程角度研究，公路选线过程中除了避开冻土冷生现象外，应根据冻土发育的规律性确定线路的冻土类型和地温特征。

设计中应充分考虑因工程建筑导致冻土环境变化和破坏，产生某些次生冻土冷生现象及沙漠化，影响路基稳定性或对道路工程产生危害。

综合起来，冻土环境变化通过改变地表生态环境、水循环系统和冻土地温场三个方面来影响路基稳定性：

2．多年冻土的年平均地温是评价多年冻土稳定性和多年冻土发育程度的重要特征指标，冻土含冰特征和地温是决定冻土自身的稳定状态和综合表现其对热影响反映的敏感性，采用综合指标——冻土的热稳定性来确定具有不同含冰特征和年平均地温的冻土的融化速率，能够反映出线性工程的冻土特征和综合评价冻土路基稳定状况。

3．根据多年冻土的含冰特征（或冻土类型）和年平均地温分布的规律，可以确定冻土路基对外界热干扰反应的敏感程度和