青藏高原东部多年冻土区高速公路建设适应性对策研究

摘要

2010年共和至玉树高等级公路（共玉高速）正式启动，在多年冻土区该线路与214国道基本平行，勘察结果表明214国道沿线与新建共玉高速沿线多年冻土分布格局基本相似。高等级公路的建设对道路的修筑提出了更高的要求，而多年冻土无疑也成为共玉高速建设所面临的最大问题之一。虽然青藏高原多年冻土区公路、铁路等工程建设已经积累了很多经验，但并不能满足高速公路建设的高标准要求。本研究通过总结与分析国内外学者已有的研究成果，以青藏高原东部多年冻土区高速公路建设适应性的对策研究为目的，以共玉高速沿线多年冻土问题及其对交通运输的影响为研究背景，以冻土路基的稳定技术为研究主线，采用现场病害调查、现场试验与观测、工程实际应用与理论分析相结合的手段，调查研究了青藏高原多年冻土东部地区高速公路建设现状及存在的主要工程问题，分析了共玉高速多年冻土分布和变化趋势，评价了共玉高速沿线冻土工程地质情况，建设了多年冻土面向高速公路建设的综合试验系统，通过试验分析了高速公路多年冻土区综合路基结构的服役性能，并针对青藏高原东部多年冻土区特殊地质情况提出了6种具体路基实施方案，用于指导多年冻土地区高速公路的设计、建设工作。本文研究成果对于评价多年冻土地区工程地质、指导该类似地区类似工程的设计、建设、养护与维修的工程实际意义重大，可以带来非常大的社会经济效益。
　　本研究取得了以下成果及研究结论:
　　(1)新建共玉高速和214国道沿线冻土分布、类型的对比研究结果表明:共玉高速和214国道沿线多年冻土分布基本一致。共玉高速沿线多年冻土地区，气候继续变暖，冻土地温升高，冻土上限下移，部分冻土甚至消失。该地区还存在大量的冻土不良地质现象，这对拟建的共玉高速稳定性造成了巨大威胁，产生的主要工程问题包括:寒冻风化作用、季节性冻胀丘、多年生冻胀丘、冻融草丘、冰椎（又称涎流冰）、融冻泥流、热融湖塘、热融滑塌、热融侵蚀和不同区域的不同程度冻土退化。
　　(2)青藏高原东部多年冻土地区年均气温从1982年开始快速升温，升温速率约0.069℃/a。2003至2014年的监测数据表明，姜路岭段、醉马滩、红土坡段、花石峡镇附近、长石头山段、多格蓉段冻土地温升温速率分别为:0.013℃/a、0.012℃/a、0.010℃/d、0.016℃/a、0.007℃/a、0.082℃/a。共玉高速花石峡段K414+580处冻土上限下移速率约为0.06m/a。姜路岭、醉马滩、醉马滩、红土坡、花石峡、多格蓉段和清水河段冻土地温处于吸热状态，长石头山段冻土观测点地温处于放热状态，查拉坪段属于放热稳定冻土。花石峡冻土段冻土厚度退化减薄速率为0.53m/a。基于典型断面的温度监测数据，通过修正Stefn公式得到K369+100和K391+100两处地表冻结指数。计算得到了用于融化深度计算的预测公式。
　　(3)根据冻土条件和自然条件两个准则，建立了基于突变级数法的冻土地质评价模型。并对共玉高速沿线4种典型多年冻土含冰类型、三种地温状态进行了多年冻土工程地质条件评价分析。评价结果与沿线历年来的工程实际情况比较吻合。
　　(4)建立了不同路面条件下地气热交换规律长期试验系统、堆石体路基降温机制长期试验系统、热管降温机制长期试验系统、通风管降温机制长期试验系统、高温冻土蠕变规律长期试验系统、坡向对路基边坡温度场影响试验系统和桩基承载力及桩土相互作用长期试验系统，配套了先进的长期监测设备，获取了冻土与工程稳定性的长序列基础数据，为多年冻土区公路工程修筑技术和病害治理技术的工程效果及设计优化研究提供可靠的试验资料。
　　(5)基于野外试验监测数据，分析了不同路面条件下地气热交换规律、堆石体路基降温机制、热管降温机制、通风管降温机制、高温冻土蠕变规律、坡向对路基边坡温度场影响和桩基承载力及桩土相互作用的工程效果，为进一步优化各类设计参数提供了科学依据。
　　(6)针对青藏高原东部多年冻土区特殊地质情况，提出了6种具体路基实施方案，包括通风管路基、块石路基、隔热层路基、块石—通风管复合路基、热棒路基、热棒—隔热层复合路基，并对其工作原理、适用范围、设计原则、和路基设计以及施工技术及方法进行详细描述，用于指导多年冻土地区高速公路的设计、建设工作。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 自然地理概括

1．2．2 多年冻土变化趋势

1．2．3 冻土工程地质评价

1．2．4 多年冻土与道路工程建设

1．3 国内外研究缺陷总结和深入研究分析

1．4 研究内容、方法及技术路线

1．4．1 研究内容、方法

1．4．2 技术路线

第2章 青藏高原东部多年冻土区工程走廊内冻土环境现状及变化趋势

2．1 共玉高速高速公路概况

2．2 共玉高速沿线冻土分布、类型

2．2．1 214国道沿线冻土分布、类型

2．2．2 新建共玉j高速和214国道沿线冻土分布、类型的对比研究

2．2．3 214国道沿线冷生灾害

2．3 214国道沿线多年冻土变化趋势

2．3．1 地表温度的变化

2．3．2 冻土地温变化

2．3．3 活动层和上限的变化

2．3．4 地温曲线形态变化

2．3．5 多年冻土厚度变化

2．4 214线典型断面观测资料分析

2．4．1 典型断面冻结指数计算

2．4．2 stefan解

2．5 冻土工程地质评价研究

2．5．1 评价指标体系

2．5．2 评价指标分级

2．5．3 评价标准

2．5．4 评价结果及分析

2．6 本章小结

第3章 面向高速公路建设的多年冻土区综合试验系统建设

3．1 试验内容

3．2 主要目标

3．3 试验场地的选址论证

3．4 试验设计

3．4．1 不同路面条件下地气热交换规律长期试验系统

3．4．2 堆石体路基降温机制长期试验系统

3．4．3 热管降温机制长期试验系统

3．4．4 通风管降温初制长期试验系统

3．4．5 高温冻土蠕变规律长期试验系统

3．4．6 坡向对路基边坡温度场影响试验系统

3．4．7 桩基承载力及桩土相互作用长期试验系统

3．5 本章小结

第4章 面向高速公路建设的多年冻土区综合路基结构试验分析

4．1 不同路面条件下地气热交换规律

4．1．1 监测数据分析

4．1．2 结论与建议

4．2 堆石体路基降温机制

4．2．1 监测数据分析

4．2．2 结论与建议

4．3 热管降温机制

4．3．1 监测数据分析

4．3．2 结论与建议

4．4 通风管降温机制

4．4．1 监测数据分析

4．4．2 结论与建议

4．5 高温冻土蠕变规律

4．5．1 监测数据分析

4．5．2 结论与建议

4．6 坡向对路基边坡温度场影响

4．6．1 监测数据分析

4．6．2 结论与建议

4．7 桩基承载力及桩土相互作用

4．7．1 监测数据分析

4．7．2 结论与建议

4．8 本章小结

第5章 青藏高原东部多年冻土地区高速公路建设措施研究

5．1 多年冻土区通风管路基技术规范

5．1．1 工作原理

5．1．2 适用范围

5．1．3 设计原则

5．1．4 路基设计与施工

5．2 多年冻土区块石路基技术规范

5．2．1 工作原理

5．2．2 适用范围

5．2．3 设计原则

5．2．4 路基设计与施工

5．3 多年冻土区隔热层路基技术规范

5．3．1 工作原理

5．3．2 适用范围

5．3．3 设计原则

5．3．4 路基设计与施工

5．4 多年冻土区块石-通风管复合路基

5．4．1 工作原理

5．4．2 适用范围

5．4．3 设计原则

5．4．4 路基设计与施工

5．5 多年冻土区热棒路基技术规范

5．5．1 工作原理

5．5．2 适用范围

5．5．3 设计原则

5．5．4 路基设计与施工

5．6 多年冻土区热棒-隔热层复合路基技术规范

5．6．1 工作原理

5．6．2 适用范围

5．6．3 设计原则

5．6．4 路基设计与施工

5．7 本章小结

6．1 主要研究结论

6．2 创新点

6．3 需要进一步研究和改进的地方

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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