冻土区公路施工方法的研究

冻土区公路施工方法的研究冻土区公路施工方法的研究页共43页第1章绪论1.1冻土以及冻土分布一般土体温度在0℃或以下，并且含有冰的各种土壤和岩土，称之为冻土。温度在0℃或0℃以下，但是不含冰的岩土和土壤，叫做寒土。在自然界中，情况特别复杂。作为冻土区或者冻土层的土壤来说，既包含了冻土本身，也包括寒土在内。所以岩土温度在0℃或者0℃以下的那部分土体，无论是否含有冰，都称为冻土。冻土区按岩土冻结状态时间的长短也可以分为短时冻土（数小时、数日以至半个月）、季节性冻土（半月或者数月）、多年冻土（数年至数万年）。地球上季节性冻土去的面积约占地球陆地总面积的70%，多年冻土约占陆地总面积的25%，面积约为3500万平方千米。冻土区分布在北半球，包括亚欧大陆的西伯利亚和北美大陆的阿拉斯加及加拿大地区的多年冻土，约占全球冻土总面积的63%。我国多年冻土的分布面积位居世界第三位，约为215万平方千米，包括位于亚欧大陆高纬度多年冻土区南边的东北大、小兴安岭以及西部高山、青藏高原等地区。青藏高原多年冻土区是世界上海拔最高，面积最大的冻土区，冻土区的分布面积约为15万平方千米，约占全国多年冻土区总面积的70%，而且冻土分布区海拔都很高，一般均在4000米以上。1.2冻土的特征1.2.1东北多年冻土分布的特点1、东北多年冻土主要受到纬度地带性制约，自北至南，随年平均气温升高、年平均气温较差减小，多年冻土所占面积的百分比由80%减至5%以下；随着年平均气温升高，多年冻土的厚度可由上百米减至几米。2东北多年冻土分布因为海拔高度的影响的叠加使其更具特色。大兴安岭地区的多年冻土比小兴安岭地区更为发育，大片的多年冻土集中在大兴安岭，而在小兴安岭只分布有岛状和稀疏岛状冻土，冻土层的温度由西向东升高。东北岛状和稀疏岛状、零星分布冻土区南北宽达200～400km的地区，其面积要比大片和大片岛状冻土两个区的面积大得多。这一广阔地带，实际上是多年冻土与季节冻土相互过度的地带，也是对地表热交换条件变化反应敏感的地带，而且也是生产实践中经常会遇到冻胀、融沉等不良冻土工程地质现象的地带。东北多年冻土在低洼处条件更为严酷，我国东北大片冻土区，在冻土温度最低的山间洼地和河谷阶地有苔藓生长和泥炭层的沼泽化地带，地下冰也最发育，冻土厚度也最大（100m及其以上）。土的岩性和含水量与这一现象的发生具体有关。1.2.2西部高山、青藏高原多年冻土区特点青藏高原多年冻土是地质历史的产物，在高原地质构造及地貌形成演化中，岩性、地下水地表水、雪盖、植被等多种地质以及自然地理因素共同作用下，展现其发生、发展及演化过程。其具有以下特点：属中低纬度高海拔冻土青藏高原多年冻土分布主要受海拔高度控制，所以称之为高海拔多年冻土，其厚度及分布温度具有明显的纬向变化规律和垂直分带性。①纬向变化规律：即纬度每向南推移10度，多年冻土下界海拔高度会上升约100～130m;在高原上同一地带海拔每上升100m，平均地温下降0.～80.9，冻土厚度增大20m左右。②垂直分带性：多年冻土仅出现在一定的海拔高度以上，岛状冻土出现的最低海拔高度的连线即为多年冻土分布下界，也就是自然地理下界。由下界往高处，冻土分布的连续性增大，由岛状分布至大片分布再至连续分布，冻土温度随之降低、厚度随之增大，具有明显的垂直分带性。地温高，冻土厚度薄青藏高原地区是我国地热异常和新构造活动最强烈的地区，较高的地热温度，也决定了青藏高原多年冻土具有地温高、厚度薄等特点。①青藏高原独特的地貌格局使后期多年冻土的发生、发展形成具有明显的地域差别。在同一气候波动下，山地因其海拔高于谷地、高平原、盆地，因而具有更低的温度气候环境。加之地势高耸有利于热量散失，以及基岩裸露具有较大导热率等原因，使得多年冻土温度较低，厚度较大。②盆地、谷地、高平原由于地势较低，气温相对较高，加之形成时间较晚，以及地表水、地下水影响等，形成的多年冻土温度较高，厚度薄。太阳辐射强、坡向作用明显青藏高原的太阳辐射强烈，早晚温差大，且阴阳面温差也很大（风火山地区的观测表明，阴阳坡在相同海拔高度下平均地温可以相差20℃），所以致使山坡坡向对冻土的作用增强，路基坡向对多年冻土的影响成为了工程建设必须应对的重要问题。热稳定性差在全球气候转暖的背景下，青藏高原升温值将高于全球平均值。青藏高原勘察工作也表明与70年代相比，青藏公路通过的多年冻土缩短了18km，其中南界缩短16km，北界缩短2km，这使得多年冻土工程面临更加严峻的挑战。1.3多年冻土与公路1.3.1青藏公路与多年冻土青藏公路格尔木至拉萨段总长约1150km，其中有700多公里在路段的施工环境极其恶劣，地质条件极其复杂多变的青藏高原多年冻土区。青藏公路穿越昆仑山山脉和局部海拔高达5000m以上的唐古拉山山脉。我国在青藏高原气候寒冷、强紫外线辐射地区、强冻融循环剧烈地区大面积修筑沥青路面获得成功，是人类高原多年冻土交通工程的奠基之作。一举突破了国际上多年冻土地区不能铺筑黑色路面的科学禁区。但是多年冻土影响的严重性、复杂性自青藏公路通车以来，越来越显著。青藏公路自通车到之后很长一段时间内，随着汽车交通量的增加，路基高度普遍较低。局部路段在荷载长期反复作用下引发多年冻土融化翻浆以及路基填料本身导热系数增加，长期吸热引起的冻土上线改变、活动层变形增大而导致的路基纵向波浪沉陷是多年冻土地区公路主要病害。2002～2004年间青藏公路冻土病害整治改建工程，改建后的行车条件大为改善，格尔木至拉萨行程时间从70年代的10～15天减少到2～3天；平均行车时速从70年代的20～30kmh增加到现在的60～80kmh1.3.2新藏公路与多年冻土国道219线新藏公路呈南北走向，起于新疆叶城县，止于西藏拉孜县，全长2143km，其中西藏境内线路长1438km，新疆境内段路线长705km，是新疆西南地区通往西藏西北、西南地区的主要通道，也是西北边陲最重要的国防干线公路。新藏公路新疆段北起叶城县，南至新藏两区交界处。由于沿线海拔高，气候寒冷，地下水埋藏浅，在高山区和山原盆地区发育了广泛的多年冻土。受公路建设和环境变化之影响，沿线冻土分布区段常发生涎流冰、路基融沉、路面翻浆、冻胀、边坡滑塌等灾害、年年阻断车道，使公路长期以来处于半运行、半瘫痪的运营窘境，严重影响沿线交通运输和社会各项事业的发展。为此，国家已列计划投资89亿元，从2005年开始，用十年左右的时间，实施改建整治工程，改善行车条件，提高公路等级。在无大型自然灾害的情况下，实现新藏公路正常季节全线通畅1.3.3青康公路与多年冻土作为连接青海和西藏的重要公路运输干线之一的青康公路，其公路自然区划为河源山草原甸区，海拔高度均在4000m以上，年平均气温在零下4.2℃以下，年均冰冻期在180天以上，由于受高海拔和年平均气温低的影响，存在着较大面积的多年冻土。公路穿过多年冻土区约300km。高海拔路段为连续多年冻土区，总里程96km左右，低谷段有大量融区总里程长96km以上。不连续多年冻土区界于上述两个区之间，总里程长147km左右。不同类型冻土的工程地质性质差异大，导致路基稳定问题突出。2002年～2004年，交通部和青海省共同投资对青康公路进行了二级公路改建。1.3.4东北岛状多年冻土区公路东北多年冻土区位于欧亚大陆多年冻土区的南缘地带，面积约39万km^2，平均海拔1000m左右。多年冻土的厚度从数十米到上百米都有，以数十米的冻土层居多，属中国最寒冷的寒温带和中温带的北部。太阳总辐射和辐射平衡的分布，大致与纬线平行，降水由沿海向内陆递减。加格达齐至漠河的黑龙江省207省道，穿越大片连续多年冻土区和岛状多年冻土区冻土工程与冻土环境非常复杂且严酷。由于对多年冻土区路段路基设计的重视程度不够，2004年完成的公路改建工程，多年冻土区段的路基，局部桥梁或涵洞与路基过渡段产生了不同程度的不均匀变形和路基纵向裂缝，严重影响了改建工程的成果。黑北公路是黑河至大连公路的黑河市至北安市路段，也是202国道的北段，该项目2000年开工，2003年建成通车，北起黑龙江省边境城市黑河市，南至北安市的二井子镇，全长243km。属于低海拔、高纬度岛状或零星多年冻土分布区，公路总投资19亿元。从孙吴北至引龙河段得149km范围内，岛状多年冻土分布共有17段，累计长30165m。冻土地质条件极其复杂。伊嘉公路汤旺河至嘉荫段沿线的多年冻土段，冻土类型主要为含土冰层、饱冰冻土、富冰冻土及多年冻土。冻土上限在0.4～1.5之间，下限较深。多年冻土分布地带地势平缓，地表水发育，冻结层上水丰富。由于季节最大融深较浅且随年平均气温而变化，多年冻土上限处绝大多数为冰层或含土冰层，冻土工程地质条件与冻土环境严酷。伊春至哈尔冰公路中的伊春至铁力段处黑龙江省东北部小兴安岭岛状冻土区，包括含土冰层，饱冰冻土，富冰冻土及多年冻土。该路段路面多处严重破坏，影响了行车安全，虽然多次修补，病害仍然不断发生。因多年冻土引起的路面破坏、路基失稳等公路病害经常发生，所以在多年冻土地区的公路建设和使用中，冻土不仅严重影响了公路的正常使用，增加了维修养护费用，还可能造成巨大的经济损失。近年来虽然对多年冻土进行了一些研究工作，取得了一些有价值的经验和成果，解决了生产建设中的一些问题，但是东北岛状多年冻土地区具有一定的特殊性，它对公路等基础设施建设的影响和引发的很多问题还需要进一步研究。第2章冻土公路2.1冻土地区的工程区划我国冻土的一级、二级区划划分如表所示。按决定多年冻土形成、存在的主导因素及其分布规律，可将我国多年冻土分为三种类型，即高纬度多年冻土、高山多年冻土和高原多年冻土。我国公路工程多年冻土的一级、二级区划表一级区划一级区划二级区划高纬度多年冻土①大兴安岭北部大片连续多年冻土区②呼伦贝尔高草原大兴安岭丘陵岛状多年冻土亚区③大小兴安岭丘陵、松嫩平原北部岛状多年冻土亚区④小兴安岭山地岛状多年冻土区高山多年冻土①阿尔泰山—北塔山山地多年冻土亚区②天山山地多年冻土亚区③阿尔金山—祁连山山地多年冻土亚区④喜马拉雅山山地多年冻土亚区高原多年冻土①青南—藏北高原大片多年冻土亚区②藏北高原南部岛状多年冻土亚区③青藏高原东南缘山地岛状多年冻土亚区1、高纬度多年冻土区高纬度多年冻土集中分布于我国东北大、小兴安岭地区，是欧亚大陆高纬度多年冻土的南缘。它的形成与存在的主导因素是一定纬度下出现的负年均气温所决定的，其形成及分布具有显著的纬度地带性规律；受其他区域因素（大气降水、岩石岩性、地表覆盖、地质构造等）影响亦表现出地域差异，但是后者是以前者为背景展现出来的。近20～30年来，由于气候转暖及频繁的人类活动，冻土退化趋势明显，据北黑公路2000年勘测资料，沿线冻土岛面积仅为20%推测，上述岛状融区冻土带现时冻土存在的状况可能更接近岛状冻土带。因此以年均气温-4.0℃等温线将高纬度多年冻土分为南北两个亚区，即北部大片连续多年冻土亚区和南部岛状多年冻土亚区，后者东西横距1200km，穿越大小兴安岭及松嫩平原北部。来自东南方向暖湿气流受大小兴安岭阻挡，岛状冻土区内自东南至西北温湿状况存在较大差异，由此形成冻土分布特征的地域差别。因此依据大兴安岭南段岭脊线及小兴安岭西南坡麓线，岛状冻土亚区分成三个二级区。高纬度多年冻土具体分区体系如下①大兴安岭北部大片连续多年冻土区②呼伦贝尔高草原，大兴安岭南段西坡丘陵岛状多年冻土亚区。③大小兴安岭东、西坡丘陵，松嫩平原北部岛状多年冻土亚区。④小兴安岭山地岛状多年冻土区2、高山多年冻土区高山多年冻土主要分布于喜马拉雅山、阿尔泰山、、阿尔金山、天山和祁连山。受到海拔高度的影响较大是高山多年冻土分布的突出特点，冻土仅出现在一定海拔以上。岛状冻土出现的最低海拔高度的连线即为多年冻土分布下界，由下界往上随着海拔升高，冻土分布的连续程度增大，由岛状分布逐渐呈现大片连续分布，冻土温度随之降低，厚度增大，具有明显的垂直带性变化规律。但是冻土下界不是依某一等高线固定不变的一条线，而是以一定海拔为轴线，依不同自然地理地质条件上下浮动的变动带。由野外考察及定点研究，高山山地的多年冻土下界可分为①阿尔泰山—北塔山山地多年冻土亚区②天山山地多年冻土亚区③阿尔金山—祁连山山地多年冻土亚区④喜马拉雅山山地多年冻土亚区3、高原多年冻土区青藏高原是耸立与中低纬度的巨大隆起，其海拔平均为4000～4500m以上，气候严寒决定着高原多年冻土的存在和广泛分布，其面积约为200万平方千米，是世界上中低纬度面积最大的多年冻土区。青藏高原总的地势是西北高、东南低；气候特点是西北部寒冷干旱，东南部温暖湿润；自然地带分异是以高原北部及昆仑山为中心，向周边地区过渡。受其影响，高原多年冻土分布正是以此为中心，向周边展开。高原北部及西北部是高原冻土最发育的地区，冻土基本上呈现连续或大片分布，温度低、厚度。由此向南、东南方向，随纬度及海拔高度降低，气温升高，冻土由大片分布过渡到岛状分布区，南部岛状冻土的出现，除了纬度及海拔高度降低因素外，还有地质构造的影响。综合纬度、海拔、年均气温、地质构造等条件的影响因素将青藏高原多年冻土区分成如下三个亚区：①青南—藏北高原大片多年冻土亚区②藏北高原南部岛状多年冻土亚区③青藏高原东南缘山地岛状多年冻土亚区第二节：国内外多年冻土工程的研究现状2.1.1国外国外关于多年冻土区公路工程研究方面详尽的资料不多，且欧亚大陆、北美大陆工程涉及的冻土受纬度控制，基本上属于低温冻土，冻土环境变化受人为干扰较小，冻土比较稳定。总体上，国外已有研究成果可以概括如下：多年冻土区公路修筑技术研究，国际上开展的较早和较多的地区是没过阿拉斯加，其借鉴其他工程经验，在公路路基稳定措施上开展了隔热板、碎石、热榜路基方面的研究，取得了一定的成果。俄罗斯及北美地区多年冻土主要受到纬度控制，冻土温度低，冻土环境人为干扰少，冻土比较稳定。公路修筑以碎石路面为主，以合理路基高度通过冻土区，对保护冻土有利。冻土研究以俄罗斯为代表，以西伯利亚冻土研究为基础开展的冻土学研究对冻土工程研究具有极大的推动作用。冻土工程研究，国际上以西伯利亚和北美地区（没过阿拉斯加和加拿大北部）较为深入，其研究背景为地区开发和二战军事目的，研究工程对象主要为铁路，石油开采与管道，以及军事用途的机场建设，房屋、水坝建筑也涉及到冻土工程研究。2.1.2国内我国在春秋战国时期（公元前770年～公元前221年）就出现了有关冻土的记载。但是我国冻土工程研究起步较晚，20世纪50年代青康公路、青藏公路、大小兴安岭林区公路及铁路的修建，开创了我国多年冻土地区冻土工程研究的新纪元。1965年《青藏公路沿线冻土考察论文集》系统总结了高原冻土的分布、温度状况、地下冰等特征，标志着我国冻土研究进入了新的阶段。1973年交通部成立青藏公路科研组，交通部第一公路勘察设计院、长安大学等单位在此后针对青藏高原多年冻土地区公路修筑技术进行了长达30年的不断研究，在工程界首次实现多年冻土区大面积铺筑沥青路面并获得成功。形成的高原多年冻土区路基修筑技术，也为21世纪初青藏铁路的开工建设提供了宝贵的经验。国外冻土工程特别是长距离线性工程主要是以贝加尔铁路、贝阿铁路和阿拉斯加输油管线为代表。这些工程无一例外均遭受冻土严重影响，诱发各种病害，病害发生率一般在30%左右。研究表明，1994年的贝阿铁路，1054km的路线出现严重病害，病害率占全长的27.5%；1996年后贝加尔铁路病害发生率高达全长的40.5%。而1990年青藏公路病害率占全长的31.7%，以青藏公路所处的冻土环境，以及当时的建设投资能力，相比较于前者，青藏铁路是非常成功的。2.2多年冻土地区公路工程的研究现状2.2.1国外相关工程的研究进展冻土是温度敏感性岩土介质，影响其稳定性的因素还包括岩性、含水率、地热以及工程作用。这些因素中，只有工程的影响是认为因素，也是维持和调控地温的主动因素。目前已有的工程措施，从对地温影响的方式这个角度出发，可以划分为被动措施和主动措施两类：前者主要指维持地温的原始状况或减缓冻土的退化，后者是积极主动的改进冻土的热状况，使其向有利工程稳定性的方向发展。被动工程措施被动工程措施的出发点在于克服或延缓由于冻土退化造成的路基破坏，除填筑一定的路基高度以保护其下冻土不致退化外，主要包括以下内容改变路基土体与大气及原冻土热传导状况和改变土体表面的热辐射条件两种措施。主动地温调控措施主动地温调控措施主要包括调控传导和调控对流的方法主要包括热棒路基、通风基础和碎石路基三种措施。2.2.2国内相关工程的研究进展青藏公路的建设是我国冻土公路建设发展的代表。青藏公路运营期间路基病害不断发生、发展，主要病害以路基融沉变形开裂为主（占病害的85%）。提高路基填土高度来保护冻土的方法在低温冻土区是可行的，而在高温冻土区因加大公路路基边坡受热面，导致路基下冻土融化盘偏移，产生路基边坡纵向开裂；同时冻土随着气温的上升而退化，一方面冻土温度上升，另一方面冻土热稳定性降低，包括设置隔热层在内的被动保护冻土措施不能适应客观情况，应主动寻求冷却冻土地基的工程措施的研究。为了系统的研究总结我国三十多年来公路冻土工程科研经验及高原多年冻土区环境保护，交通部在2002年西部交通科技项目中确立了《多年冻土地区公路修筑成套技术研究》项目项目经过有关科研单位，250多位科技人员，历时近5年，研究范围涵盖多年冻土地区、季节性冻土地区公路建设环境、环境保护、健康保障的理论探索与技术实践。项目通过在青藏高原西部的新藏公路、腹地的青藏公路、东缘的青康公路及东北大小兴安岭地区黑北公路设置4个观测场、5个、100多个观测断面。并在青藏公路昆仑山口多年冻土区设置桥梁桩基，取得及研究分析个时期观测数据200多万组。突破创新成果归纳如下：1、填补空白独树一帜。高海拔多年冻土地区突破世界冻土工程理论禁区铺筑黑色路面成功，连续33年跟踪研究形成独立设计体系，填补国内外空白。挑战极限。20年来不断的创新超越，逐步攻克生命禁区高寒缺氧环境下筑养路职工健康与恢复技术难关，填补国内外空白。系统集成。50年掌握冻土病害与变形规律，首次提出多年冻土地区公路修筑成套技术、冻土工程建养与脆弱生态保护多项重大关键技术，填补国内外空白。2、重大创新工程理论，奠定基础①首次提出了以冻土类型、冻土温度为主要指标的多年冻土地区公路工程地质区划，以冻土融沉变形为主要因素的多年冻土公路工程分类。②首次提出东北季节性冻土区公路三级自然区划与指标。③采用室内冷域模拟野外真实环境，通过足尺模型室内试验与实体工程的对比研究，首次建立了公路冻土路基水、热、力三场耦合的理论模型并实现其数值解法。④系统研究得到了公路各种不同条件下冻土变化和路基变形规律，为青藏高速公路的建设提供了理论依据。勘察设计，提升理念①首次提出多年冻土工程地质综合勘察技术，改进了钻探工艺。②总结完善了公路冻土路基设计方法和原则，首次将公路冻土路基稳定性研究与全球升温背景下多年冻土响应过程相联系，提出了制冷阻热，减少辐射，增强对流，主动保护，积极预防，综合治理的原则。③首次提出路基合理高度的设计理念，通过30多年观测数据分析，得到了多年冻土地区随时间变化的公路路基合理高度方式。路基稳定，破题难解①基于青藏公路50多年冻土工程病害发生发展的独特的历史资料，首次系统研究阐明了多年冻土地区公路病害机理。②创新提出治理冻土路基病害的工程措施和一般结构冻土路基、特殊结构冻土路基建造技术，基本解决了多年冻土地区路基修筑难题。③研究总结了季节性冻土地区路基冻胀翻浆机理与对策。路面技术，突破常规①首次从理论与工程效果两方面研究多年冻土地区公路路面结构适应性，首次系统研究并提出了多年冻土地区以低温耐久性能为主的路面合理结构、技术指标与配合比设计方法，以及适应变形和耐久性要求的路面结构设计方法。②首次提出了青藏高原多年冻土地区沥青路面的合理使用年限与综合养护技术，开发研制成功寒冷地区路面冷补材料与方法③集成了多年冻土和季节性冻土地区路面修筑技术，首次提出沥青碎石贯入油结施工工艺。桩基回冻，揭示规律①首次研究解决了世界多年冻土地区公路路面结构适应性，首次系统研究并提出了多年冻土地区以低温耐久性能为主的路面合理结构、技术指标与配合比设计方法，以及适应变形和耐久性要求的路面结构设计方法。②提出了多年冻土地区桥梁基础和涵洞工程建造技术。健康环保，首创体系①首次研究并提出了青藏高原多年冻土地区公路生态环境关键影响因子，评价指标体系；成功的在高原公路路域实现了人工建植植被，揭示了高原公路边坡水土流失规律，并形成环境保护综合技术。②通过大量的采用和调查，首次系统研究揭示了高原职工劳动能力及患病规律，得到了中西药物对系列生物生理生化指标的影响规律，提出并建立了高原职工健康保障和疾病防治体系。第3章冻土区公路主要病害及防治3.1在冻土区筑路的主要工程问题3.1.1融沉病害在多年冻土区修筑路堤后改变了地表的水热交换条件，可能英气冻土层得融化，路基在其自重下发生排水固结下沉—融沉，是路基发生过大变形而破坏，融沉是多年冻土地区路基主要病害之一，多发生在寒冰量大的粘性土堤段。当路基基底的多年冻土上部或路堑边坡上分布有较厚的地下冰层时，在施工及运营过程中各种人为因素的影响下，冻土层局部融化，上覆涂层在土体自重和外力作用下产生沉陷，造成路基的严重变形。这种变形表现为路基下沉，路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑，路堑边坡溜塌等。有的地段在融化季节下沉量可达到1.5m以上。热融下城热融下城一般有以下特点：①突然的大量下沉是以较慢的速度连续下沉一段时间后，有时突发大量的沉陷，并使路基两侧部分地基土隆起。这是由于路基基底含冰量大的粘性土融化后处于过饱和状态，其承载力几乎为零，加上路堤两侧融化深度不一，使得基底形成一倾斜的冻结滑动面。这样的突然沉陷会严重危机行车安全。②周期性的持续下沉一般发生在地下冰发育地段，或因施工时破坏了地表草皮泥潭覆盖层，或路堤建成后上方坡脚积水，形成地表水沿基底的横向渗透，造成地下水的逐年不断融化，致使路基在每年融化季节出现年周期性的持续下沉。一般下沉最为严重时是在8～9月份。③下沉大多数发生在路堤地段（路堑地段很少）。④严重下沉地段多发生在多年冻土的沼泽地带。冻土沼泽常年积水，排水不良，表层泥炭一般较厚且冻土层含冰量大，融化季节易发生路堤下沉。3.1.2冻胀病害对于细颗粒（黏土粉土）这种自然含水量较高的土体在气温降低时，土中水分发生相变结成冰，体积增大9%，如果含水量足够大且温度持续保持负温，则土体必然产生冻胀隆起，致使路面产生裂缝而破坏图冻胀病害是喊去特有的主要病害之一，在季节冻结深度较大的地区及多年冻土地区均有发生，尤以多年冻土地区严重，多年冻土地区因冰锥丘而引起的冻胀病害其规模和程度都远比季节性冻土区大。冻胀病害特点①路基冻胀分布广，严重地段比较集中。②突发性地出现隆起和回落。③形成的冻害时间较迟，形成时间为10月下旬，到11月末便趋于稳定。④春融初期，由于昼夜温差较大，反复融冻，维修工作十分困难。冻胀病害的分类①按路基冻害的变形情况可分为冻凸、冻凹、交错冻起、冻胀裂缝等类型。②按水分补给来源可分为表层冻害（地表水引起）与深层冻害（地下水引起）两种类型。③按路基冻害产生部位可分为道床冻害，路基表层冻胀，及路基深层冻胀。冻胀病害的原因路基的冻胀病害与气温、土质及水源条件密切相关，主要发生在气候严寒、季节冻结深度较大的地区和多年冻土地区。其土质以细颗粒的黏土为主，往往富含水分。形成路堤冻胀病害的基本原因有以下几种：①路基机床面不平整，积水冻结膨胀形成冻胀病害。②碎石或混沙道床垫层不洁，污染严重，混入泥土量较多，遇积水产生冻胀。③地表水或地下水对路基土的不均匀浸湿，主要是路基两侧或上方一侧积水，测侧沟积水及地下水的不均匀浸湿不均匀隆起而产生冻胀病害。④路堤填土不均匀及路堑基底土质差异，因土的性质及结构不同形成不同的冻胀病害。⑤路基不同朝向形成的不均匀冻胀，如路线走向为东西走向时，路基有明显的向阳坡和背阳坡，是路基填土的冬季含水量和冻结深度发生差异，出现单侧冻起。3.1.3冰害冰害主要是指在路堤上方出露地表的泉水，或开挖路堑后地下水自边坡流出，在冬季随流随冻形成积水冰掩埋路基面或边坡挂冰，堑内积冰等病害，是发生在寒冷及严寒地区特有的路基病害，在严寒的多年冻土地区则尤为严重。对于路基工程来讲，路堑地段较路基地段病害要多，尤其发生在浅层地下冰发育的底填浅挖及零断面地段的病害，危害程度更大，对有一定填土高度的路堤，危害程度相对较小。3.1.4冰锥、冻胀丘冰锥和冻胀丘是多年冻土区道路工程中最经常遇到的不良冻土现象。由于筑路而产生的水文地质条件的变化往往在线路附近诱发新的冰堆和冻胀丘。冻胀丘形成时产生巨大的隆起力，使道路变形；冰堆在冬季可能覆盖路面，中断交通，而在夏季造成路面翻浆和路基沉陷，需要认真对待。因此，在选线、选址时均应注意水文地质调查，尽量绕避已有的冰堆、冻胀丘，以及线路修筑后可能产生新的冰堆和冻胀丘的地段；在不可能绕避时则必须做好排水措施，防止线路附近冰堆和冻胀丘的发生。3.1.53.1.5融冻泥流和滑塌3.1.6热融湖塘和沼泽化湿地热融湖塘在青藏公路沿线分布较广。一般热融湖塘下仍有多年冻土存在。公路通过热融湖塘时要注意路基冻胀和沉陷的不均匀及边坡陷裂等问题，同时湖塘积水也容易引起路基湿软，加剧冻胀和沉陷。沼泽化湿地地段一般厚层地下冰发育。路线通过时应注意上部草炭和泥炭层得压缩问题。在这类地段筑路时要特别注意保护植被，做好排水和保证足够的路堤高度，必要时可加设保温护道。3.2病害的防治措施3.2.1冻胀危害防治措施合理路基高度。在含土冰层、饱冰冻土以及富冰冻土路段按保护冻土原则设计时，则必须要使冻土上限不下降，较好的处理办法就是加大路基填土高度。基土换填。在强冻胀性土上修建桥涵、路基，常去掉强冻胀性土，填入非冻胀性土。换填方法包括基底换填和基侧换填，换填料应为含粉、粘粒不超过12%的粗颗粒土，换填深度和换填率根据当地的冻结深度和建筑物的特点决定，对于路堤，换填深度与路堤高度和不小于保温层计算厚度的1.5～2.0倍。基土换填法简单适用，基本能永久消除冻胀危害。防渗隔水与排水。主要措施有:在路基下垫层设置砂垫层以隔断毛细水上升;切方坡以上设置截水沟;填方路堤两侧设置断面形式宽而浅的排水沟;地下水采用设置盲沟方法导流排至路基以外;坡脚积水路段可在路基10m以外设置积水坑来降低地下水位。防渗隔水与排水系统应尽量远离路基坡脚，排水应通常，并保证路堤坡脚5m范围以内无积水洼地。保温。当埋藏较浅的地下冰可能融化或频繁人为活动会破坏坡脚冻土时，可采用保温层措施，如设置保温护道、护脚等等，常用的保温材料有泥炭、草皮、树皮、炉渣、陶块、泡沫混凝土、聚苯乙烯泡沫或粘性土等。但多数保温材料随吸湿其保温效果会下降，且抗压强度较低，如用塑膜软包装防止保温材料潮湿，效果会更好。基土强夯。主要是将夯击能作用在土表层上，以波的形式将能量传给土体，在瞬间可将土体压缩数厘米至几十厘米。用此方法处理粘土、亚粘土、淤泥质粘土、新近填土以及强冻胀、严重翻浆的软弱土，可使其密实度大为提高、含水量大为降低渗透能力极大减小、地下水埋藏深度大大增加、地基承载力大大提高，最终使冻胀基本消除。3.2.2冰丘和冰椎危害防治措施冻结沟。当含水层较薄、隔水底板埋藏不深、涌水量及动水压力不大时，可在冰椎场或冻胀丘场的上游开挖与地下水流向垂直的天沟。在冻结季节前作为排水沟，在冻结季节，沟下土层首先冻结，便形成一道冻结“墙”起到拦截地下水的作用。截冰墙。在涌水量不大路段设置横向截冰墙，阻挡水分或冰上路。截冰墙多修建在路肩外或边沟外，一般用浆砌片石筑成，可与冻结沟联合配置使用。聚冰坑。多用于水量较小、边坡不高的堑坡冰椎，用以聚积冬季冰椎，使之不上路，可与截冰墙联合使用。地下排水措施。主要由集水渗池(或渗井)和排水暗管(或盲沟)两部分组成，其目的是将地下水排到路基以外的河沟或洼地中。集水渗井适用于山坡地下水露头较集中处，渗池适用于山坡地下水较分散处，由集水渗井和渗池汇集的水再用盲沟或暗管排出路基外。3.2.3热融危害防治措施防治热融危害的基本出发点是避免扰动厚层地下冰和融沉性较强的多年冻土。如果难以避免扰动，可按以下一些措施预先融化或换填。宁填勿挖。在有热融滑坍路段尽量用填方而避免挖方，并使路堤的填高大于临界高度，以保证冻土上限不下降，同时严格做好排水措施。综合防治。在厚层地下冰或饱冰冻土段开挖路堑，应在满足边坡稳定的条件下尽可能减少对冻土的扰动；对边坡及坡脚进行清理，将难以保持稳定的滑坍部分清除，换填其它透水性材料和保温材料；放缓边坡或在坡脚加支挡，以建立新的稳定的热平衡和力平衡；加强排水措施，堑顶设挡水埝和埝后排水沟，坡脚设浅宽侧沟，以防止在水的作用下重新加剧热融滑坍。其它措施。路堤穿过热融湖塘时，水下部分路堤必须以渗水性土填筑，渗水性土的填筑标高应高出湖塘最高水位0.5m；溶蚀应结合热融湖塘基底土质、地下冰、上限深度等因素，综合考虑基底的预留沉落量；另外路堤两侧水不得排入热融湖塘。3.2.4其它防治措施加强路面结构。在有可能发生冻胀的中季节冻结区和多年冻土区的高级、次高级路面结构中加设防冻层，使路面总厚度不小于路面防冻最小厚度；在路面结构层中加设排水垫层，阻止地下毛细水上升，兼起排水和缓冲路基冻胀作用，从而减轻路面冻胀；路面层中尽量使用整体性好的二灰土、石灰土、水泥稳定碎石、水泥稳定砂砾等半刚性结构层，以加强路面结构；面层沥青混凝土中添加能提高抗低温缩裂性能的改性剂，如SBR等，以增强路面的抗低温缩裂性能。施工措施。换填基底段、冻区路堑开挖段等宜安排在寒冻季节施工，其它部分工程安排在融化季节施工，这种施工安排可以使全年施工相对较均衡，既保证了工程进度，又避免因冻土层暴露太久，冻土上限会下降而引起路基沉陷破坏，从而保证了工程质量和工期；另外在施工过程中不得破坏路基两侧一定范围内的植被，使之继续起隔热、保护冻土和减弱地表水下渗之作用。3.2.5几种特殊措施(1)隔热层路基研究表明，冻土路基设置隔热层后，下部土体地温年振幅大大减小，上表面温度波动较大，温度年较差在34℃左右，下表面温度年较差在7.16℃左右，如图6所示加铺工业隔热材料能减少路堤下最大季节融化深度1～2m，对提高冻土路基下人为上限有明显的作用；隔热材料在暖季发挥积极效应，在冷季不利于路基土体散热；XPS板效果要大大优于EPS板；施工季节最好能选择在冬季，如果冬季无法施工，应在6月底以前。(2)碎石路基室内试验表明，高度为53～55cm的由相同块粒径组成的单一结构碎石试样，存在微弱的自然对流传热；由两种块、粒径分层铺设的复合结构试样中，粒径为6～8cm的碎石与砂砾石搭配时，存在比较小的自然对流传热，碎石铺于上层的试样自然对流传热效应优于碎石铺于下层的试样；上覆砂砾石或卵砾石层都会削弱降温效果；碎石体的平均温度随碎石层厚度增加近似按指数规律递降。青藏公路试验工程研究表明，2～5cm的碎石层的对流降温效果不显著；碎石粒径过小、厚度过薄，碎石间孔隙被堵塞不能形成通风对流条件，碎石粒径一般应不小于8～10cm，厚度不小于80～100cm;在夏季碎石护坡层阻止了大量的热量传入路基，使路基下的温度场在夏季得到明显的改善。数值模拟表明，碎石层填筑厚度存在一个最小厚度Hmin和一个最大厚度Hmax，当H<Hmin时，碎石层中并不产生冬季自然对流降温效应，这时的碎石层只起到类似于绝热材料的作用；当H≥Hmin时，碎石层中开始产生冬季自然对流降温效应，直到碎石层填筑厚度达到最大值Hmax；当H>Hmax时，超过厚度最大值的碎石部分并不会对自然对流效应产生更有利的影响。(3)热棒路基在青藏公路路基沉降变形与纵向裂缝较为严重的路段约5.6km的热棒路基试验表明，热棒每年冬季开始工作，工作周期为5个月，热棒每年10月上旬到次年的3月上旬处于工作状态，次年的3月下旬到同年的10月上旬处于非工作状态。年平均功率551.18w，即热棒每年能将约1.997乘以10的八次方kj的能量从土体内带出。元月输出功率最大，在其工作周期内，热棒并不是始终连续工作的，实际工作时间约为工作周期的三分之二。热棒的作用半径是指热棒在工作期间所带入的外界冷量在地中所传递的最大距离。理论上热棒最大作用半径为7.6m，热棒的有效作用半径为2.25m如图7所示。需要指出的是热棒的作用半径是动态变化的，在不同的季节其作用半径是不同的。为551118W，即热棒每年能将约11997×kJ的能。未埋置热棒路基的路中人为上限明显大于埋置热棒后所引起的路中人为上限。设置热棒后人为上限是单棒大于双棒，竖置大于斜置。双棒斜置相对于未设热棒而言能有效抬升人为上限约1.8m。(4)遮阳板路基遮阳板路基利用边坡遮阳板调控辐射，同时避雨、调风，是积极主动的保护冻土的工程措施。研究表明，遮阳板在高温高含冰量冻土区具有明显的降低地温、保护冻土作用，对比断面最大融深要比遮阳板断面深0.6m左右如图8所示。在阳面边坡坡面下0.5深度处地温，较对比断面低4℃左右，遮阳板内地面平均温度较对比断面低8℃左右。

第4章冻害地区高等级公路的设计及施工4.1多年冻土路基主要工程措施多年冻土区公路路基工程技术涉及多年冻土区得气候、地质地貌及路基合理断面结构和冷却冻土路基的工程措施等问题，是多年冻土区修筑公路的关键技术。冻土路基工程研究的首要任务是在了解气候—工程—多年冻土相互作用规律的基础上，研究开发新的地温调控技术，气出了能冷却地基的特殊路基结构及其涉及参数。懂冻土热稳定性的机理来看，国内外研究成果可分为调控热传导、调控对流和调控辐射三类路基结构形。4.1.1调控辐射类该类方法通过增加道路各边界表面的反射率以减少路基体吸收太阳辐射，从而起到降低地温，保护冻土的作用，在以往公路试验中，是通过路面刷白色漆、使用浅色改性沥青或使用浅色钢筋混凝土路面等工程措施来降低路面色度，增加反射，达到减少路面吸热的目的。同时，对公路和铁路都进行了刷漆罩面、遮阳板、遮阳棚、抛碎石护坡等试验研究，其中刷漆罩面、遮阳板、抛碎石护坡为研究重点。①反射表面和刷漆罩面1963年，美国和加拿大通过改变路面面层颜色来减少路面吸收的太阳辐射能量，从而起到降低地温保护冻土的作用，这种方法的机理主要是通过反射辐射到路面上的太阳光，来达到减少太阳能辐射强度的效果。②遮阳板遮阳板对太阳辐射的遮挡是有效避免坡面升温的最为主要的因素;其次，遮阳板下空气对流换热可及时带走遮阳板本身及二次辐射产生的热量;第三，烟囱效应#导致的遮阳板下空气的有效流动，可以将遮阳板下坡面温度保持在较一般地表温度更低的水平上。③抛碎石护坡抛碎石护坡降温机理，主要在于块石护坡结构层大孔隙的存在，并且相互连通，一年四季块石护坡层内将发生空气自然对流和隔热保温效应，表现为隔热保温效应和自然对流效应的昼夜、季节性的交替变化过程。由于块碎石层中块碎石占据空间的主要位置，且厚度有限，致使该层虽具隔热效能，但作用有限，降温作用也就主要依靠块碎石层内的自然对流过程。4.1.2调控热传导类该类工程措施主要是调整路基高度或路基填筑材料的热物理参数，用以增大路基热阻，减缓工程作用对冻土路基的影响，从而确保路基稳定。①调整路堤高度研究表明，路堤高度与多年冻土地区路基的稳定密切相关，为达到保护多年冻土地基的目的，提出了冻土路基临界高度的概念。当前国内外对冻土路基临界高度的计算方法大致可分为以下三类，第一类热学计算法，根据冻土路基热平衡原理导出相应的计算公式。第二类是模拟实验法，通过室内模拟试验建立相应冻土地基计算参数和计算公式。第三类经验法，通过对试验路段及实体工程的调查，观测资料的采集、分析建立地区性的经验计算公式。②保温隔热路基该路基是在冻土路基内部铺设一层隔热材料，利用其热传导系数较低这一特点减少上部热量进入下部冻土层，从而达到了保护冻土的作用。主要措施有：碎石夹层路堤、热管、保温材料，或以上几种措施综合使用。其中保温材料是通过增加路堤内部热阻来抵御公路吸热对下部冻土的影响。保温处理措施虽然可以减缓路基吸热过程，但是并不能从根本上改变因修筑路基而引起的吸热趋势。虽然对其研究较早，但应用范围受到很大限制。不过在实际工程中如果能与其他工程措施联合应用，应该可以发挥其阻热的积极作用，并为其他措施的进一步降温提供良好基础③保温护道路基坡脚和路基本体具有不同热融条件和沉降速率，易导致路基边坡失稳，为此可以采用护道进行侧向保护。同时，保温护道还可以起到阻挡地表径流与积水侵蚀以及从力学上平衡路基中心沉降变形的作用，另外，保温护道也可与保温隔热板配合使用，既可以保护坡脚不被融化，又可以减轻坡脚填土自重4.1.3调控对流类该类工程措施主要是调控路基边界及路机体内部的对流换热状况，从而保证冻土路基稳定，主要措施有热棒及斜热虹吸管、块石通风路基、通风管路堤。①热棒及斜热虹吸管20世纪60年代初一种广泛用于土木工程中的、无需外加动力的无蕊重力式热棒得到发展。无动力热棒是一种汽液两相对流循环导热装置，利用热虹原理驱动工作介质循环流动，当冷凝剂和蒸汽器之间存在温差时工作介质在蒸发器中吸收热量，转化为气体介质，然后在上端冷凝段冷凝放出气化热，从而将地基基础的热量传送到地表与空气进行换热。该汽液两相对流循环过程是连续的，只有当蒸发器的温度低于冷凝器的温度时才停止，此时热棒停止工作。热棒在寒区基础工程中的应用，解决了基础冻胀、融沉等热力过程中的许多工程问题，保障了多年冻土地基的稳定。在管线工程、桥涵、道路路基、机场跑道、通信输电线塔以及港口工程中，热棒也被用来冷却地基，防止冻胀和融沉，增加地基强度，保证冻土地基的稳定，没过在阿拉斯加公路路基上夜进行过这方面的试验。热棒技术已经在世界一些有多年冻土的国家得到了广泛的应用。②块石通②块石通风路基该类路基是利用填石路基的通风透气性，来实现保护冻土路基的目的，因为冷空气的密度比热空气大，冬季冷空气通过碎石间的大孔隙进入石层，将孔隙中密度娇小的热空气挤出，形成对流，换热强度加大；夏季热空气在上，冷空气在下，层结比较稳定，对流作用不明显，主要靠传导作用换热，但由于空气的导热系数较小，故热换强度很小，这样年平均的结果是散热大于吸热，使碎石层下土地温度下降。在路堤边坡设置碎石护坡，或在路堤适当位置填筑一定厚度的片、块石层，增强对流效应，从而维持冻土上限的热平衡条件，保持现有冻土上限位置或促使上限上升，从而保护冻土环境。③通风管路堤通风路基是在路堤内部一定深度的位置埋设垂直路基走向、间隔一定距离平行排列通风管，以促进空气的流动。有关该种措施的影响因素分析方面，管径较大的通风管工程效果相对较好，通风管埋设位置低的路基工程效果要优于通风管埋设位置高的路基;同时，通风管间距等也会对降温效果产生影响。不过通风管在冻土区公路路基上的使用效果研究有限。4.2冻土地区高等级公路的设计原则由于多年冻土融化引起的道路路基不均匀下沉是影响路基设计的主要因素，因此，路基设计首先考虑如何控制多年冻土层的融化，正确评估冻土发生融化后的变形值。在这一指导思想下结合冻土类型及年平均地温分别采用以下设计原则。4.2.1保护冻土的设计原则保护冻土的设计原则即为保持多年冻土上限下限不下降或者略有上升。对低温区相对稳定的多年冻土地段，尽量避免挖方，零断面和高度不够的低填方如不能避免时，要采取相应工程措施处理，如采用借土适当加高路基或铺设隔热材料等增大热阻保持多年冻土上限不下降；严格保护道路两侧植被等生态环境。4.2.2控制融化速率、综合治理的原则控制融化速率、综合治理的原则即为保持多年冻土融化引起的路基下沉变形不影响路面的正常使用或在一定时期内多年冻土融化引起的路基下沉变形不降低公路的服务质量。在高位多年冻土或高含冰量多年冻土地质病害严重区段，一般的保护措施已不能解决问题，也就是说，单纯的保护已不能解决问题，必须采取工程措施，控制融化速率，综合治理。在这一原则指导下可按照实际情况选用调控冻土地温的工程措施进行干预治理，单一工程措施如热棒路基、通风管路基、块石碎石路基、遮阳板路基、隔热层路基等，冻土地质灾害特别严重的地段亦可采用旱桥通过，高温高含冰量冻土区病害特别严重段推荐组合工程措施。根据冻土类型、地形、地貌及路基高度和坡脚积水情况，不近在路基高度方向保护冻土，而且也在路基的纵横方向采取一定的工程措施，好互动图。如设置防水保温护道、回填路基坡脚10m范围内积水坑以及是路基纵横向形成排水系统等工程措施，以达到综合治理的目的。4.2.3允许融化的设计原则该原则就是在路基建成后的运营期间，允许路基下第几种的多年冻土全部或部分融化，或在建路时预先使路基下的多年冻土融化，路基设计按非多年冻土地区的技术标准进行。具体应用时，对基地地址良好，为少冰冻土及多病冻土的低温多年冻土地段，可按一般多年冻土地区的路基设计，尽可能少扰动路基下的多年冻土，设置合理偏安全的路基高度，因为冻土融化后不会产生大的融沉及冻胀病害。对含冰量大的薄层冻土，若埋藏较浅，或地下冰层下不深处即为少冰冻土、多冰冻土或基岩且无地下水的路段，根据现行设计路堤高度小于临界高度时，可全部挖除，含冰量大的冻土层，换填渗水性土，并碾压密实。含冰量大的冻土层厚度较薄，但是埋藏较深，冻土层以下的土层中饱含承压地下水，挖除换填施工难度大。这种情况可采取上部挖除，再换填渗水土，下部松动爆破，将冻土层震碎破裂，在施工过程中利用地下水温，加速碎裂冻土的融化，使冻土层完全消失。上部部分挖除的深度应视施工期限、冻土层厚度等综合考虑决定，一般应占整个冻土层厚度的二分之一到三分之二。设计中应考虑石洞预留沉落量及加宽路肩。4.2.4冻土区的融区与冻土岛的设计原则连续多年的冻土区中的融区及其冻土岛，该类多年冻土地温最高，主要分布于的河流两岸、湖泊盆地及河谷阶地等处。对于修筑路基导致冻土环境条件改变形成的融区、河谷融区的路段，按最高地下水位、地表积水、最大冻结深度和土质等确定路基高度；对于较小的冻土岛，则采用保护冻土或控制融化速率的设计原则，从经济、技术和线性顺势等条件综合考虑、必选，也可采用浅色路面或xps板隔热层路基、通风管路基、热榜路基等工程结构，最终确定路基高度。综上所述，多年冻土地区路基设计原则的总体指导思想可归纳为“制冷阻热，减少辐射，增强对流，主动保护，综合治理，积极防御”。4.3冻害地区高等级公路的施工原则及措施4.3.1冻土地段的路基施工原则首先，在有可能出现多年冻土的地段我们要详细调查冻土的类型，分布情况、地面水和地下水的水位及流向、冻土的上限下限，并采样检验土质的含水量，将多年冻土加以正确分类，同时施工中遵循以下原则：冻土温度低、稳定，宜于采取保护多年冻土的原则，冻土温度高，不稳定，融沉又不大时，又考虑采取破多年冻土的原则（融化原则）。在厚层地下冰地段，一般应采取保护多年冻土的原则，在少冰冻土和多冰冻土地段，一般可采取破坏多年冻土的原则（融化原则）。在富冰冻土地段，当含水量较大，或公路等级较高时，宜采取保护多年冻土原则；当含水量较小，或公路等级较低时，也可按破坏多年冻土原则(融化原则)施工。4.3.2路基施工措施施工前应核查沿线冻土分布、类型、冻土上下限、冰层上限、地面水、地下水以及有无其它如热融（湖、塘）、冰丘、冰椎等不良地质路基地段情况。施工必须严格遵循保护冻土的原则，使路基施工后仍处于热学稳定状态。路基原则上均应采取路堤型式，尤其在厚冰发育地段，并尽可能避免零填或浅挖断面，以免造成严重热融沉陷等病害，弱融沉或不融沉的多年冻土地区，路基施工可按融化原则进行。路基排水与加固除满足水力和土力条件外，还应考虑由于施工因素如排水系统修筑等引起的热力变化，不导致多年冻层上限的下降。排水当路基位于永久冻土的富冰冻土、饱冰冻土或含土冰层地段时，必须保持路基及周围的冻土处于冻结状态，排水系统与路基坡脚应保持足够距离；高含冰量冻土集中路段，严禁坡脚滞水、路侧积水，边坡应及时铺填草皮。在少冰与多冰冻土地段，也应避免施工时破坏土基热流平衡。排水沟与坡脚距离不应小于2m；沼泽湿地地段不应小于8cm；饱冰冻土及含土冰层地段，应避免修建排水沟和截水沟，宜修建挡水埝（堰），距坡脚不应小于6m。若修建排水沟则不应小于10m。基底处理填方基底为含冰过多的细粒土，且地下冰层不厚，可挖除并用渗水性土回填压实，再填路基。当基底为排水困难的低洼沼泽地段时，其底部应设置毛细水隔离层，其厚度宜在路堤沉落后至少高出水面0.5m，并在其上铺设反滤层；泥沼地段路堤基底生长塔头草时，可利用其做隔温层。上述地段路堤应预加沉落度，并在修筑路面结构之前，路基沉降基本趋于稳定。路基高度：应达到防止翻浆与不超过路基冻胀值要求的最小填土高度；按保持冻结原则施工的路段，应同时满足冻土上限不下降的要求。取土宜设置集中取土场，富冰冻土、饱冰冻土及含水冰层路段，确需就近解决部分土源时，应在路基坡脚10cm以外取土；斜坡地表路堤，取土坑应设在上坡一侧。取土坑深度均不得超过当地多年冻土上限以上土层厚度的80%，坑底应有坡度，积水应有出口，水能及时排出，同进取土坑的外露面，亦宜用草皮铺填。填料应选用保温隔水性能均较好的细粒土。采用粘性土或透水性不良土填筑路堤时，要控制土的湿度，碾压时含水量不能超过最佳含水量的±2个百分点。不得用冻土块或草皮层及沼泽地含草根的湿土填筑路基。通过热融湖路堤，水下部分必须用渗水良好的土填筑，并应用高出最高水位0.5m。压实压实检查应采用重型击实标准，成型后路床强度应符合设计要求，用不小于20t的压路机或等效碾压机械进行碾压检验2～3遍，无轮迹和软弹药现象。侧向靠近基底部位有饱冰冻土层且有可能融化时，宜设保温护道和护脚。保温材料宜就地取材。用草皮时，草根应向上一层一层叠铺，最外一层应带泥，以便拍实形成保护层；沿线两侧20m内植被和原生地貌应严加保护。4.4多年冻土地区公路施工技术4.4.1多年冻土地区主要施工难题施工工期短多年冻土地区公路的最佳施工时间为每年的5～9月份，而路面工程的基层与面层的适宜施工时间为6～9月份，其中，水泥类结构物和沥青面层可以施工的时间为7～9月份。即使在这几个月，多年冻土地区气温仍较低，日温差也较大，夜间往往出现负温，有效施工时间短。同时，降水又集中在7～9月份，且雨雪无常，明显影响路面施工的连续性。因此，多年冻土地区沥青路面的施工期明显短于一般地区。施工温度低多年冻土地区常年低温，即使在路面的可施工季节，气温也较低，且夜间经常出现负温。因此，多年冻土地区公路施工温度明显低于一般地区，满足现行规范规定的施工温度要求较为困难。碾压成型困难多年冻土地区气温最高的季节也是将于季节，路基填土通常含水率较大，使路基填料的碾压很难在填土最佳含水率的条件下进行。由于多年冻土地区气候干燥，蒸发率高，施工中路基填料表层水分损失比一般地区速度快，导致调料表层干燥，下层潮湿，路基碾压不能达到充分牧师，在车辆荷载与冻融作用下，极容易造成成型路基翻浆。多年冻土地区气温低，加上风大，热拌沥青混合料施工过程中的温度损失明显快于一般地区，导致沥青混合料碾压成型困难，同时多年冻土地区气候干燥，蒸发率高，路面基层施工中水分损失比一般地区速度快且损失量大，对无机结合料稳定基层的强度有显著的影响。养生条件有限在多年冻土地区特殊的自然条件下，半刚性材料保温保湿养生难度明显大于一般地区，水分蒸发损失容易引起干缩裂缝，大温差使半刚性板体内产生较大的温缩应力，频繁冻融循环易导致混凝土产生早期损伤。在多年冻土地区特殊的自然条件下，青藏公路整治改建工程的施工期也是公路交通量的高峰期，在保护环境严格控制施工便道设置的前提下，既要确保路面基层的养生周期，与公路沿线的生态环境，又要确保车辆顺利通行，往往是在路面基层的养生期内开放交通，严重影响路面基层强度的形成。4.4.2多年冻土地区路基的施工技术一、路堤施工技术多年冻土地区路堤施工要考虑到多年冻土地区的特殊性，复杂性，应根据冻土环境和现场冻土地质情况进行相关结构设计，相关调控地温的工程措施设计以及处理不良冻土地质现象的措施设计。由于现阶段成熟的相关技工技术规范还没有跟上，所以多年冻土区公路在设计阶段还应同时给出相应的关键施工技术要求，以保证冻土路基设计在特定的施工条件下达到预期的效果，多年冻土区路堤施工与质量控制要点如下：关于路基设计高度的起算点当路基设计高度经计算确定后，路基设计高度的起算点也是一个很重要的设计参数。由于地形条件不同，其起算点若选择不合适，同样可能引起路基失去其稳定性。因此，路基设计高度的起算点应以设计最安全为目标，也就是以地表至路基设计高度的最小距离的位置为路基设计高度的起算点。即路基通过地形平缓地表时，路基设计高度以路中心为起算点；路基通过地形横坡较大时，则应以地形较高一侧路面边缘所对应的地面点为起算点（图**）。填料的选择与路基借土在多年冻土区路段路基填料选择一定要慎重，如果单纯从保温性能考虑，则黏性土较好，砂性土辞职，砂砾土较差。但综合分析气候、水文工程质量及保通和工程造价等，并结合青藏公路和东北地区部分公路的实际施工情况，填料应该有一个合理选择，即为增大热阻保护冻土宜选择导热系数小的黏性土；为了主动冷却路基增强气冷效果宜选用一定粒径范围内的随时填筑，并保证边界开放有利于对流发生等。总之，要考虑各种控制因素，合理有效地选择填料，对填料的相关指标要具体限定，不适宜的填料要严格禁用。以粗粒土作填料，施工季节不受限制；如以细粒土作填料前应在春季融后进行。填土质量及压实标准应符合有关规定（图***）。多年冻土区筑路应尽量减少对冻土环境的破坏，应合理设计路基取土坑，不得在路基两侧随意取土。取土坑的位置依照地形、地质、地表排水条件确定，尽量采用集中取土，以减少对多年冻土的热干扰。不论何种条件，均严禁采用推土机大面积推土填筑路基。取土坑的位置和开采深度应严格控制。取土前将表面的腐殖土集中堆积一处，然后划分取土坑，集中深挖取土，当取土完毕后，整平取土坑，在把腐殖土回填在取土坑上，并在上面种植适宜的耐旱植物。在融沉和强融沉多年冻土分布地段填筑路堤时，如果路基位于倾斜地形上，取土坑只允许设在路堤上侧山坡，取土坑与路堤坡脚间的距离不得小于100m；在地面横坡不明显的平坦地段，可在路堤两侧取土，其距离不得小于200m；含土冰层、厚层地下冰冻土分布地段，不得在路堤两侧取土。从取土坑到施工现场应设置专用便道，不允许施工单位乱开便道，更不允许运料车辆随意超出专用便道。施工季节的选择多年冻土区筑路路堤的施工季节根据气温可分为寒季（10月中下旬到下年3月下旬）和暖季（四月上旬到10月中旬）。寒区道路工程建设的理论研究和工程实践使人们对施工季节对冻土路基热状况的影响已经有了较全面的定性认识，夏季施工作业条件较好，施工效率较高，工程质量较宜控制，多年冻土区的道路工程一般都应在夏季进行。但夏季施工也存在着明显的缺点，由于夏季雨雪相对较多，路堤填土质量较难保证，填土的蓄热对保护冻土十分不利。当夏季施工的路堤高度超过一定值时，还会在路堤内形成残留融土核，是路基路面变形和下沉。冬季施工条件较差，施工效率较低，路堤填土呈冻结状况，质量也很难控制。但对一些特殊的地段，如暖季取土和运输困难的沼泽化地段，地表水易聚集地段，和基本不能承受大的地表扰动的底填且地基含冰量大的极不稳定多年冻土区，在预先预备好较干燥填料的条件下，寒季施工条件反而较好，且可使堤体土层在施工过程中得到预冷，这对保护冻土极为有利。因此，合理选择施工季节对冻土路基工程非常重要。相关施工工艺与施工要点地表排水系统的施工及养护维修由于地表水的渗透是造成冻土融化、路基下沉的主要因素之一，因此整个排水系统应在施工过程中尽早开始，在路基主体完成的同时尽快完成。如有困难亦要先做好临时排水设施，以防雨季地表水对路基坡脚和边坡的浸泡、渗透及冲刷，造成融化下沉或路堑边坡溜塌等病害。从以往经验来看，施工过程中往往至注意路基主体工程的进度，而忽视对排水系统的急躁施工和施工场地的排水，以致地表水和雨水流入基坑内，增加施工困难；或路基成型，而排水沟还未开挖，雨季或春暖地表水水路基坡面和坡脚形成急流，深入坡面和基底，结果工程尚未交付运营而病害已经产生；另外在运营中如对边沟、排水沟、截水沟等不注意养护维修，天长日久造成排水沟边坡坍塌，沟底淤积堵塞，致使排水系统失效等都会产生或加重路基病害。护道的施工及养护护道材料如与路堤填料相同时，应与路堤主体工程同时施工并同时完成。如系草皮泥炭护道亦应在路堤主体完成后尽快施工完成，这样对保护冻土有利。对于东北地区多年冻土区的公路其护道应禁止车辆、牲畜行走和开垦耕地，表面黏性土防火层如有损坏应及时修补回填好，以防泥炭失火燃烧；对于青藏高原多年冻土区的公路护道可采用一般填土，也可采用片块石或碎石，草皮等材料。对于填土护道，应及时碾压使压实度达到80%以上，如被水冲成沟壑应及时将其修复填平。基层地下冰地段的施工厚层地下冰地段，如填料为砂卵石等粗集料，最好与球技冻结前运到施工点附近，于冬季施工填筑。这样低温填筑材料及基底一定深度内的负温能较长时间保持下来，对保护冻土及地下冰有利。堆积的高于地面的砂卵石，由于已输干了水分，冬季不会冻结。运营期间在厚层地下冰地段路基两侧应设有标志，距离路基坡脚20m范围内，应禁止进行任何人为活动，以免破坏地表后使冰层融化，危害路基。挡土墙的施工由于在多年冻土地区施工挡土墙给多年冻土地基带来了热量，含冰冻土的融化会给施工造成很多困难，为保证施工顺利进行，宜避开炎热的夏天，并应不间断作业，连续施工基坑并避免积水。在暖季施工，一定要防止基坑暴露时间过长。从青藏公路第二期改建工程和整治工程修筑挡土墙的调查结果看，基坑暴露时间一般不宜超过15天，而整个挡土墙施工时间不宜超过50天，只有当基础所用建筑材料、机具和垫层所用沙砾全部备齐后，才可开挖基坑；基础完成后，应立即回填夯实。基坑开挖后，如果发现基础全部或部分埋在纯冰或含土冰层上，应立即通过设计单位修改设计，太高基础埋置深度。在施工砂砾垫层前，将降雪、降雪融化水或将雨水以及基坑内淤泥和松软湿土彻底清除，而不应受基底高程的限制。渗水暗沟的施工渗水暗沟施工的有力季节在春融至雨季开始以前（4～6月）。这段时间施工既可以减少冬季施工时的排水困难，又可避免雨季施工时可能产生的坍塌事故。在施工安排上，应组织力量快速施工，各个工序全面展开，相互衔接，逐段完成。切忌拖延过久，使基坑长期暴露，影响基坑边坡稳定，增加施工困难，早场日后养护维修工作不应有的隐患。如必须在冬季施工，应特别注意抽水机械的维修保养。一旦机械出现故障，基坑积水不能排除，逐渐冻结于坑内，复工时将增加大量刨冰工作。施工便道的位置与设计标准新建公路附近无道路供施工使用时，需修筑施工便道，这种便道仅供施工期间车辆行驶使用，一般标准很低，多为低填浅挖，加之车辆频繁行驶，人为活动影响极易使基底及附近冻土融化。如便道距路基过近冻土融化后还会影响路基的稳定。因此，施工便道的位置距离路基坡脚应在20m以外。不宜太近。对于整治或改建工程，便道不近要满足施工车辆使用需要，还要保障社会运输车辆的通行，并尽量减少施工车辆与社会运输车辆相互干扰，因而确保施工期内的交通通畅是实施便道路德先决条件之一。对整个施工期限内保通便道应进行专门的勘察设计。保通便道以满足整个施工期内公路正常的运输、车辆的安全、通畅为目标，要整体安排施工保通工程，做好便道工程、落实保通措施、明确保通责任。保通便道，还应包括交通管制措施、特重型车辆保障措施、交通突发事故抢救措施。二、路堑施工技术路堑施工主要是厚层地下冰地段的施工，厚层地下冰地段路堑施工的最大威胁是融冻泥流，它不仅严重影响施工的进度，甚至是断面无法成型。青藏高原就曾有由于在施工中未注意防护而使试验路堑的60%段落因热融破坏而废弃的实例。因此避免或最大限度的减少热融干扰，是地下冰地段路堑施工的重要原则1、施工季节在多年冻土地区，寒季易于路堑边坡开挖成型；暖季则易于路堑段路基换填作业。因此施工季节设计开挖成型与填料来源这一对矛盾的合理解决。以粗颗粒土为换填材料并采用集中取土时，应尽可能在寒季施工，以利于提高施工质量和避免遗留病害。若需在暖季施工，应尽量避开降雨集中、热融作用最活跃的7、8月份，而安排在夏初或秋初，并做好防护。跨年作业有利于路堑稳定。即秋末开挖成型，来年暖季回填。这样可兼顾挖、填的不同要求。2、施工工艺施工工艺的好坏是路堑施工成败的关键。各个工序应统筹安排，前后衔接，连续进行，包括准备工作—开挖—回填—整平等四个环节。施工前的准备施工前的准备工作包括：施工组织设计、设立施工标记、修筑施工便道、划定区土地点和运土路线、机具材料队伍的准备等。本环节应切实注意：①准备工作完成之前，要保护好施工现场及其周围的天然植被，切不可贸然动土。②注意施工场地的排水，凡在正式施工前可进行的永久性排水设施施工的，应提前做好。路堑的开挖路堑开挖宜采用机械化快速施工方法，集中力量迅速完成。其程序包括松土和清方。①松土作业松土机松土开挖法省力省工，成本低，并能有效的东芝开挖断面，是有效实用的开挖方法。但需配备马力大且适于冻土开挖要求的松齿结构的松土机。钻孔爆破松土开挖法是当前比较灵活适用的开挖方法，可用于各种成孔方式。但为加快开挖进度，应选用钻进速度快、功率大、又便于搬运的钻机。用深孔爆破或深孔药壶爆破方式均可。该作业应注意尽量做到一次爆破成型，最大限度的缩短补欠时间以减少热融影响；对于较长的路堑应分段施工（根据钻进速速，每段为50～100m）；爆破后的清方与后段钻孔同时进行，尽量适用抗冻防水性能好的炸药，钻孔前严禁破坏地表植物等。②清方弃土作业经爆破松动或松土机松动后的松方，采用推土法或装运发清方。地表部分可用的松方，横向推置于路堑侧开挖界限30m外；上限一下含土冰层或饱冰冻土，视路堑长度，采用纵向一次推出或横向通道分段推出的方法，推弃于路堑外适当地点。弃土时应注意不影响回填时排淤作业和不留隐患。锁口的设置应与路堑开挖的松土作业同时进行，间距以100m左右为宜。200m以下的路堑，宜两端相向开挖，并在路堑口下方设锁口；200m以上的长路堑，可分段开挖，增设中部横向锁口，推土机应由高往低拉槽推送。开挖至换填层位。应对暴露的冰层作昼盖夜开的简易遮挡防护，以减少热融影响。③回填作业暖季开挖的路堑在清方成型后，应全段尽快一次回填，避免开挖堑面的长时间暴露。回填作业应注意：a要保证填料的供应。回填料尽量从两侧边坡顺坡铺散，再逐层运送到基底，以利于边坡的保温。填料抛散后要及时夯实，尤其是在有降水征兆时。回填顺序由里到外，由高到低逐段填筑，以便于依次向外清理下一回填段得热融泥土。注意边坡的回填和夯实，在没有边坡夯拍机具时，可分层夯实，用刷坡方式调整破率。整平作业。包括清除刷坡后的余土，清出侧沟，基面与侧沟平台的整平，路堑成型等。作为特殊不良地质的地下冰地段，其路堑工程的设计与施工是一项复杂而艰难的工作，需要根据当地的气候条件和冻土条件，以及地形、植被、路堑走向、地层性质等因素综合考虑，不可能有统一的设计断面和施工方法。路堑弃土路堑弃土应弃于山坡低侧，并不应弃土于下侧堑顶边缘，人为的加高路堑边坡高度，造成边坡不稳，加剧病害，使病害处理难度增加。例如青藏公路有的冻土路堑，施工时为了图省事，将部分弃土置于上方侧的堑顶边缘上，人为的加高了路堑坡高度1～2m，春融后路堑边坡溜塌，堑顶弃土亦跟随坍塌，整治中增加了清除的土方量及路堑破的刷坡高度。路堑边坡保温层的施工冻土路堑边坡保温层的稳定与否，除厚度因素外，与施工质量关系较大。铺设草皮泥炭层时，边坡挖除部分应整平。没块儿草皮泥炭厚0.25m左右，切平根部，铺设时上下错缝相互嵌锁，如不注意施工质量，例如草皮泥炭块儿不整修，结构不紧密；铺砌时未将孔隙填实，造成空气对流，降低了保温性能；堑顶排水不好，地表径流和冻结层上水渗流如保温层内等等，均会导致护坡工程失败。总之，对诸如隔水、排水措施施工工艺问题，换填料的选择与保护层材料的设置问题等，都应参照具体路堑段要求执行，以达到保护冻土、防止热融坍塌的目的。4.5多年冻土地区沥青路面施工技术4.5.1水泥稳定砂砾基层（或底基层）施工技术一、原材料要求粒料试验表明，小于4.75mm基料含量和通过0.075mm筛孔的颗粒含量对混合料路用性能影响明显。为充分利用天然砂砾、降低工程造价和方便施工，宜参入适量比例碎石（5～10mm）调整粗集料比例，掺量控制不超过40%。建议4.75mm筛孔通过率尽量控制在50%以下，且小于4.75mm细集料含量尽量靠近推荐继配下限；在级配范围曲线中宜选取粗集料上靠上限、细集料下靠下限的平顺反弯曲线。严格控制细料塑性指数，不宜大于4.粒料（碎石或砾石）的抗压碎能力应满足压碎值不大于35%的要求。严格控制有机质含量不超过2%和硫酸盐含量不超过0.25%。水泥考虑到多年冻土地区气温低、昼夜温差大的特点及其对强度形成的影响，应在保证施工需要的前提下，选择强度等级较高、凝结较快的水泥，以提高早期强度。外加剂针对多年冻土地区的特点，应掺入适宜的外加剂如cs-1外加剂，提高早期强度，改善抗收缩性能，施工方便且经济。混合料设计原则多年冻土地区水泥稳定粒料组成设计的目标是：在多年冻土地区特殊的环境条件下，混合料组成满足强度要求，并使抗收缩性能达到最优，且便于施工。设计原则是：综合考虑强度指标和抗收缩性指标，确定最佳水泥用量和最优混合料级配，选择适宜的外加剂种类和确定剂量，以达到技术先进，经济合理的目的。施工机械选型与组合针对多年冻土地区的气温变化特点，宜采用混合料厂拌和摊铺机摊铺的机械化施工方法，在施工中应充分重视选择和配套施工机械，保证水泥稳定粒料基层快速成型。如采用平地机和人工摊铺，则必须控制延迟时间和含水率。修筑试验路段实践证明，在大面积施工基层之前，宜修筑一定长度的试验路段。由于多年冻土地区日温差大、温度低，因此应通过试验路段修筑确定每天的施工作业时间和作业段长度，尽量使混合料在进入低温或负温时间以前具有一定的强度，减小低温影响。多年冻土地区气温降温速率快于一般地区，且夜间温度较低，施工中应对施工现场的日气温变化状况进行实测，确定施工作业时间。施工开始时间的气温宜高于5℃，气温降低到7℃前1h应停止摊铺作业，掺外加剂后可适当延长作业时间，在气温降低到5℃时停止作业。施工工艺多年冻土地区水泥稳定粒料基层采用厂拌法施工的工艺流程与一般地区基本相同。多年冻土地区水泥稳定类基层施工中，控制碾压时间和养生是关键环节。水泥稳定类粒料基层施工结束后，应立即进行保温保湿养生。如采用草袋、薄膜、厚沙等材料，也可以采用养生薄膜下铺设黑色或深色织物双层吸热保温，或单一采用黑色养生薄膜吸热保湿，提高养生温度。尽量提高第一天的养生温度，第二天后的养生温度达到临界温度7℃以上即可。养生期一般不少于7天，养生结束后应尽快铺筑面层或做封层。对于掺加外加剂混合料，养生期可以缩短，如掺入cs-1外加剂混合料的养生期可以缩短为3天。在养生期间应封闭交通，如不能封闭交通时则应限制重车通行，其他车辆的车速不应超过30km/h。施工质量控制施工质量控制可分为材料标准试验、施工过程质量控制及外形尺寸管理三大部分。控制标准与一般地区类似。水泥稳定类基层质量保障技术措施针对多年冻土地区路面半刚性基层的特殊施工和使用条件，根据试验研究，以“降低负温和低温影响程度、加快早期强度形成速度、减少混合料自由水分损失、控制级配组成”为主，提出多年冻土地区半刚性基层强度形成和抗裂技术保障措施：保证半刚性基层混合料设计抗压强度要求，取规范规定上限。混合料中掺入适宜外加