多年冻土地区公路路基设计技术研究

摘要

本论文依托青藏公路整治改建工程的实施，针对青藏公路多年冻土区的路基病害特征，采用调查与调研分析-室内试验-修筑实(试)验工程-数学模拟-综合分析的技术路线，从研究青藏公路沿线多年冻土的分布特征、人为上限发展趋势、融化夹层的形成及其发展规律、温度场变化规律与冻土路基变形规律等着手，研究并提出多年冻土区路基的设计技术，为多年冻土地区路基设计提供技术支撑。本文研究认为：
　　 1)青藏公路沿线高海拔多年冻土具有强烈的垂直地带性，又具有纬度地带性和干燥地带性的分布规律。青藏公路沿线多年冻土上限深度变化的年增量差异较大；沥青路面修筑后在高温多年冻土中将形成融化夹层，亦称为融化核。气候、地形地貌、下垫面特征等外部因素，以及冻土的岩性、含水量、含冰量和年平均地温等内部因素的相互作用，制约着融化夹层形成和发展趋势。
　　 2)路基下地下水的赋存方式基本上分为季节融化层内地下水和路基下融化核地下水；以大气降水、地表水和冻土融化水为补给来源。冻结层上水是直接影响路基稳定性；修筑沥青路面后沥青路面下0.5m深度夏季土体温度要比天然条件下高出8～10℃，在天然状态下冻结过程约为5个月，融化过程约为7个月；在沥青路面下，冻结过程约为4个半月，融化过程约为7个半月；低温多年冻土，天然状态下冻结过程约为8个月，融化过程约为4个月，在沥青路面下，冻结过程约为5个半月，融化过程约为6个半月。
　　 3)多年冻土区路基变形主要包括冻胀与融沉，融沉变形则主要是由于修筑路基导致多年冻土层热量收支状况发生改变。多年冻土地区路基的变形主要与多年冻土类型、多年冻土工程地质条件，以及在沿线的空间分布有关，由于多年冻土融化而引起的路基变形，无论是路基的纵向变形，还是横向变形都表现出较大的不均匀性。如果50年气温升高1℃，对于年平均地温为-0.5～-1.0℃的多年冻土区仅依靠抬高路基高度，不能够确保路基稳定性。对于年平均地温为-1.0～-2.0℃的多年冻土区，冻土路基变形量随着气温逐渐升高而增大；如果50年气温升高2℃后，对于年平均地温在-0.5～-1.5℃多年冻土区，必须采用特殊的冷却路基的措施才能在气候转暖背景下保证路基稳定性；对于年平均地温为-2℃，可以根据公路使用年限，合理地选取不同路基高度，以确保路基稳定性。
　　 4)在总结青藏公路沥青路面路基设计理论与设计原则的基础上，提出了路基临界高度与时间之间存在着必然联系的理念，研究了路基高度、宽度、路堤边坡与修筑护道等对路基热稳定性；
　　 5)通过室内试验、试验工程观测与数值模拟，研究了设置隔热层板、碎(片)石、热棒路基、遮阳板路基等特殊性工程措施对冻土路基稳定性的影响，提出了设计要点。

目录

文摘

英文文摘

声明

0绪论

1概况

1.1背景与意义

1.2多年冻土区公路建设面临的问题

1.2.1气候变暖与冻土区气温响应

1.2.2青藏高原冻土退化对公路工程的影响

1.3冻土工程国内外研究现状

1.3.1国外冻土工程研究现状

1.3.2国内冻土工程研究现状

1.4多年冻土地区公路路基设计主要研究内容

1.4.1主要研究内容与关键技术

1.4.2技术路线

2青藏公路沿线多年冻土特征

2.1青藏公路沿线多年冻土分布特征

2.2青藏公路沿线多年冻土地温与上限特征

2.2.1青藏公路沿线多年冻土地温特征

2.2.2青藏公路沿线多年冻土的上限特征

2.3青藏公路沿线多年冻土类型

2.4融化夹层的形成及发育规律

2.4.1融化夹层的形成

2.4.2冻土路基下融化夹层分布及特征

2.4.3融化夹层与气象、地形和地貌的关系

2.4.4融化夹层与冻土的成分、含冰量以及年平均地温的关系

2.4.5融化夹层的形成与路堤高度的关系

2.5青藏公路多年冻土区地下水及其变化

2.5.1地下水与多年冻土的关系

2.5.2路基修筑后路基地下水赋存环境的变化

2.5.3地下水对路基稳定性影响

2.6本章小节

3多年冻土路基温度场变化规律研究

3.1公路与多年冻土相互作用

3.1.1沥青路面对多年冻土地温场的影响

3.1.2沥青路面对土体冻融过程的影响

3.1.3冻土地温状况对路基稳定性的影响

3.1.4多年冻土的变化对路基变形的影响

3.2公路下卧多年冻土的温度场变化规律

3.2.1冻土年均地温的变化特点

3.2.2低温多年冻土区路基温度场分布特征

3.2.3高温冻土区路基温度场的分布特征

3.3多年冻土地区路基温度场的模拟

3.3.1温度场模拟的数学表达及其定解条件

3.3.2填土路基温度场模拟分析

3.4本章小节

4多年冻土地区路基变形研究

4.1冻土路基的变形特征

4.1.1冻土路基的不均匀性

4.1.2冻土路基的冻胀与下沉特性

4.2多年冻土地区路基变形影响因素

4.3多年冻土地区路基变形预测技术研究

4.3.1基于变形数据的数学预测

4.3.2基于气候效应的物理预测

4.4本章小节

5多年冻土地区路基设计技术研究

5.1冻土路基合理高度研究

5.1.1路基设计理论与设计高度研究演进

5.1.2路基合理高度研究

5.2多年冻土地区路基横断面结构设计

5.2.1边坡设计

5.2.2防水护道设置原则

5.3多年冻土地区路基设计方法与原则

5.3.1路基勘测与调查

5.3.2路基设计原则与方案

5.3.3路基地面排水与侧向保护

5.4本章小节

6多年冻土地区特殊路基结构设计研究

6.1.隔热层路基

6.1.1作用机理

6.1.2室内试验

6.1.3工程应用效果分析

6.1.4数值模拟效果分析

6.1.5设计要点与过程控制

6.1.6适应性及优缺点

6.2碎石路基

6.2.1作用机理

6.2.2室内试验

6.2.3工程应用效果分析

6.2.4数值模拟效果分析

6.2.5设计要点与过程控制

6.2.6适用性及优缺点

6.3热棒路基

6.3.1作用机理

6.3.2工程应用效果分析

6.3.3数值模拟效果分析

6.3.4设计要点与过程控制

6.3.5适应性及优缺点

6.4遮阳板路基

6.4.1作用机理

6.4.2工程应用效果分析

6.4.3设计要点与过程控制

6.4.4适应性及优缺点

6.5本章小节

7主要研究结论与建议

7.1主要研究结论

7.2问题与建议

参考文献

作者简介

致 谢