冻土地区铁路路基设计.docx
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1、摘要路基作为线路的重要组成部分,它既是线路的主体,又是轨道的基础。路基的好坏直接关系到整个线路的质量和火车的安全行驶。然而在高原冻土区,由于冻土的冻胀和融沉,会造成路基冻害变形,危及行车安全,所以在冻土路基的设计和施工中,冻土路基的处理显得尤为重要。多年冻土区路基的处理,按保护冻土的设计原则采用通风路堤、合理路堤高度、铺设工业保温材料、设置热棒等措施来满足保护多年冻土不致融化的要求,路基排水设计和施工技术也同样重要。本论文为冻土路堤的设计,设计段全长2500m,位于海拔为3580m4100m的青藏高原,沿线高寒缺氧、环境恶劣,不同程度分布多年冻土。本文首先介绍了冻土的工程特性以及多年冻土区路基
2、的常见病害,接着介绍了路基横断面的构成及冻土区路基的设计,并按照保护冻土的原则进行路基设计,依据线路的平、纵断面图绘制路基横断面初步设计图。其次,详细论述了冻土区地基处理的方法,根据设计段的工程概况进行地基处理。然后,通过对路堤填高最高断面的沉降量计算得到地基无需加固,再进行路基排水与防护的设计。最后,对多年冻土区路基的施工技术进行了全面、细致的描述。关键词:路基工程;多年冻土;换填处理;热棒AbstractAs an important part of the line, the embankment is the main body of the line, and it also is
3、the basis of track. The roadbed is directly related to the entire line of quality and safety of the train driving. However, in the plateau permafrost areas, due to frost heaving and thawing of the permafrost will cause roadbed deformation frost damage, endanger traffic safety, and frozen soil subgra
4、de treatment is particularly important in the design and construction of permafrost roadbed. Handling of the roadbed in permafrost regions , according to the design principles for the protection of permafrost ventilation embankment reasonable embankment height , the laying of industrial insulation m
5、aterials , set up hot rods and other measures to meet the requirements protect the permafrost from melting , subgrade drainage design and construction techniques are also important.In this thesis, the design is about of the frozen soil embankment.The whole length of the design lot is 2500m,it is loc
6、ated in an altitude of 3580m to 4100m of the Qinghai-Tibet Plateau, along the alpine hypoxia, poor environment and varying degrees of distribution of permafrost.This paper first introduces the engineering properties of permafrost and embankment in permafrost regions of common diseases, then introduc
7、es the composition of the embankment cross-section and the design of the subgrade in permafrost region, and in accordance with the protection of frozenthe principle of soil designs embankment, preliminary design based on the lines of embankment cross-sectional level, longitudinal drawing.Secondly, t
8、his paper discusses in detail ways to deal with permafrost zone foundation,foundation treatmentswere applied according to the design of the project profiles section.Thirdly, through the highest section of embankment fill the Settlement Calculation to determine the foundation without processing,then
9、the subgrade drainage and protection has been designed.Finally, the construction technology of the roadbed in permafrost regions has been describedcomprehensively and meticulously.Keywords: subgrade engineering; permafrost; replacement treatment;hot rod目录摘要I1绪论11.1冻土的基本概念11.2多年冻土的成因31.3冻土的工程特性41.3.1
10、冻土的物理性质41.3.2冻土的变形性质51.3.3冻土的力学性质51.3.4冻土的冻胀性61.3.5冻土的融沉性61.4多年冻土地区的不良地质现象72设计段路基设计82.1一般路基横断面的设计82.1.1路基横断面的形式82.1.2路基横断面基本构造82.1.3一般路基断面设计92.2多年冻土地区路基设计112.2.1冻土路基设计的基本方法112.2.2多年冻土区路基工程132.3设计段资料162.4路基横断面的设计及绘制173地基处理183.1地基处理的目的及原则183.2地基处理方法分类203.3冻土地区地基处理方法213.3.1冻土地基所面临的问题213.3.2冻土区地基处理的基本方法
11、223.4设计段地基处理244地基沉降274.1地基沉降量计算方法274.2沉降量具体计算284.2.1自重应力计算284.2.2附加应力计算294.2.3地基沉降量计算325路基排水及防护设计345.1路基排水345.1.1路基地面排水345.1.2路基地下水的降低与排除措施355.1.3设计段排水设计355.2路基防护355.2.1路基坡面防护355.2.2路基坡脚冲刷防护365.2.3设计段防护设计366路基施工386.1路基施工的准备工作386.2路基土石方施工及爆破工程406.2.1路基土石方的施工方法406.2.2爆破工程416.3多年冻土区路基施工416.3.1对冻土环境的保护4
12、16.3.2多年冻土区路基施工技术措施42结论45致谢46参考文献47附录1 绪论地方铁路哈尔盖至柴达尔至木里线,位于青海省东北部的刚察县、祁连县、天峻县境内,以青藏铁路西宁至格尔木段上哈尔盖站为起点,沿柴达尔支线到达柴达尔车站后,线路沿哈尔盖曲北上,穿越大通山垭口,跨过大通河折向西沿河北岸行进,路经江仓煤矿至终点木里煤矿,线路全长195.24km,其中新建段柴达尔至木里长142.040 km。本线为运煤专用铁路,全线位于海拔为3580m4100m的青藏高原,沿线高寒缺氧、环境恶劣,不同程度分布多年冻土。该多年冻土区海拔高,气压低,气候严寒,冻结期长,多年冻土平均地温低,但积雪较薄,且保存时间
13、不太长。1.1 冻土的基本概念凡含有水的松散岩石和土体,当温度降低到其冻结温度时,土中孔隙水便冻结变成冰,且伴随析冰晶体的产生,胶结了土的颗粒。各种土体中的冰析作用,将伴随着一系列非常复杂的物理、化学及力学性质的改变,水分迁移,孔隙溶液浓度的增大和土体不均匀变形,以及引起应力、应变的改变,都在改变着冻土的性质。孔隙水结晶,松散土颗粒被胶结和外来冰侵入体的“冰劈”作用是土体性质变化的一个重要条件。另外,由于固体土颗粒表面自由能量的作用,使冻土中的水分不能完全冻结成冰,而总是含有一定量的未冻水。随着冻土温度变化,未冻水-冰之比例也在改变,而温度指标是引起冻土性质变化的基本条件。因此,把具有负温度及
14、冰,且胶结着松散岩石固体颗粒的土,称为冻土。冻土温度状态随地区及存在条件的差异而发生变化。它主要取决于大气温度、海拔高度、地形、地质和水文地质及植被等条件。此外,环境条件的改变和人类的工程建筑活动也可直接影响其所在地段的冻土温度状态。冻土按其冻土状态时间的长短可分为多年冻土、季节冻土和瞬时冻土三类。冻结状态持续三年以上的冻土为多年冻土。每年冬季冻结,夏季全部融化,冻结状态持续时间大于一个月,每年周期性冻结的冻土为季节性冻土,这种冻土的冻结深度为数厘米至12m。瞬时冻土是指冬季冻结状态仅持续几个小时至数日的冻土,其冻结深度为数厘米至数毫米。每年冬季冻结,夏季融化的地表(浅层土体),在多年冻土地区
15、称之为季节融化层;在季节性冻土地区称之为季节冻结层(季节冻土层)。冻土是一种复杂的多相天然复合体结构构造上也是一种非均质、各向异性的多孔介质。冻土的基本成分有四种:固态的土颗粒、水、液态水、气体和水汽。土颗粒大小和外形对土冻胀及物理力学性质又十分重要的影响。土颗粒大小主要表现在土颗粒粒子表面的物理、化学性质,它是根据土粒子的比表面积而定。土颗粒的外形主要表现在受外力作用时可以产生力的位移。土粒子的巨大表面能量还取决于土颗粒的分散程度和土粒子的矿物成分,决定着土粒子与孔隙水相互作用的差异性。当土粒子与冰之间以及土粒子之间的接触点上出现一定应力时,必然会使冻土中的未冻水量发生变化,且影响冻土的结构
16、和力学性质。冻土内的冰是冻土不可缺少的成分,它的数量、分凝特点(由薄膜水向结晶锋面的迁移而形成冰体,在一定条件下,冰体体积可大大超过冻结前体中的孔孔隙)及其与土颗粒之间的胶结程度影响着土体的冻胀性及冻土的物理性质。由于冰具有明显的非均质特性,它的粘塑性变形主要是发生在于晶体长轴相垂直的方向上。在天然状态下,由于热力条件(如温度,压力等)产生变化,冰的各种特性(包括结构特点,流变性等)也会发生相应的变化。冻土中的未冻水(液态水)伴随土体温度的变化而变化。它的多寡主要取决于土颗粒表面能的大小,且在外荷载、温度等条件影响下发生变化,冻土中的水汽总是从水汽压力高的地方向水汽压力地的地方迁移。在水分稀少
17、的冻土中,它是温度变化和土冻结时水分重分布的原因之一。对于饱和或二相体系的冻土来说,它的作用相对次要。冰与土颗粒之间的胶结程度及其性质是评价冻土性质的重要因素,尤其是当冻土被当作各种建筑物的地基或材料时,冻土的含水量及其所处的物理状态就显得更为重要。所以要特别重视冻土的组成对冻土的热学、物理、力学性质的影响,以及冻土中冰和未冻水的存在和它们随土体负温度变化所引起的冻土性质变化。多年冻土按其含冰量的不同可以分为:少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层。各种冻土含冰特征及融沉分级如下表1-1所示。表1-1 冻土的描述定名和融沉性等级分类表土类含冰特征融沉性等级及类别冻土定名冻土一、肉眼看
18、不见凝冰的冻土1、胶结性差,易碎冻土I级不融沉少冰冻土2、无过剩冰的冻土3、胶结性良好的冻土4、有过剩冰的冻土二、肉眼可见分凝冰,但冰层厚度小于或等于2.5cm的冻土1、有单个冰晶体,冰包原体的冻土2、在颗粒周围有冰膜的冻土级弱融沉多冰冻土3、不规则走向的冰条带冻土级融沉富冰冻土4、层状或明显定向的冰条带冻土级强融沉饱冰冻土厚层冰三、冰层厚度大于2.5cm的含土冰层或纯冰层1、含土冰层V级融陷含土冰层2、纯冰层ICE1.2 多年冻土的成因冻结状态持续两年以上的土层(土壤、土和岩石)称为多年冻土。地球表面发生着包括一切传热形式:辐射、对流和传导的复杂热交换过程。尽管地表发生的热交换过程十分复杂,
19、但最后都可以归结为使地表吸热或散热。冷半年的时候(寒季),地表散发热量使土逐渐冷却。一般来说当土的温度降至0一下时,土中水就会冻结形成冻土。如果该地表一年中的吸热量等于或大于散热量,而热半年时(暖季),在冷半年形成的冻土就会全部融化,这类冻土就是季节性冻土。反之如果该处地表一年中吸热量小于散热量,则冷半年形成的冻土在热半年就不会全部融化,而残留一部分。如果长时期的保持每年散热大于吸热这一条件,则年复一年,就能形成相当厚度的多年冻土。从冻土热物理学观点来看,冻土是在岩石圈土壤大气圈系统热值交换过程中形成的。自然界许多地理地质因素参与这一过程,影响和决定冻土的形成和发育。气候是其中对冻土有重要作用
20、的因素,主要有气温、降水、云量、日照、积雪以及冰川等。地质构造和地形条件对多年冻土的的分布、温度、厚度、冷生组构、形态组合以及冻土的其他特征均有重要影响。深部低温和地中热流是影响多年冻土发育的下边界条件。岩性和含水量对多年冻土厚度的形成起重要作用,主要通过导热系数、热容量以及水的相变潜热来直接影响多年冻结层的厚度。多年冻土发生在地球发展史的寒冷时期,是一种地带性现象。随着地球上气候的冷暖交替,多年冻土也曾几度消长。迄今为止,有据可查的最老的多年冻土位于北极北部,这些多年冻土自60万年前形成后一直保留到现在。中更新世寒冷期形成的多年冻土也有一部分,如中雅库特的多年冻土一直保留到现在。也就是说,在
21、至少8万年期间,尽管南部地区的多年冻土已经形成、消失、又重新形成了好几次,但雅库特的多年冻土从来就没有完全融化过。在7万年前开始的晚更新世寒冷期,由于气候寒冷而干燥,冰川分布面积比早、中更新世要小。因此,这一时期多年冻土分布面积最大。在前苏联的欧洲部分和中亚,多年冻土南界推进到48N处。在北美,多年冻土南界至少比现在的位置推进了2000km。约1万年前,开始了全新世时期,多年冻土逐渐向北退缩,北极地区的一些近海的低地被海水淹没,其下的多年冻土开始退化,残留者就成为至今的海底多年冻土。在距今约80004500年期间的气候最宜期(气候变暖的时期),多年冻土缩小到最小范围。约4500年出现了新冰期,
22、多年冻土重新发展。我国东北这一时期南界已超过了南界位置。在距今约500年开始的小冰期,多年冻土南界的变化很不一致。由于中、短周期气候波动的影响,有的向南推进,有的向北退缩。现代多年冻,从全球范围的角度,相对晚更新世的多年冻土而言,正处在退化阶段,但也不排除局部地区有地表条件改变而出现多年冻土的发展。1.3 冻土的工程特性冻土的工程特性主要包括其物理性质、变形性质、力学性质、冻胀及融沉性。1.3.1 冻土的物理性质1.总含水率冻土的总含水率是指冻土中所有的冰的质量与骨架质量之比和未冻水的质量与土骨架质量之比的和。2.冻土的含冰量因为冻土中含有未冻结水, 所以冻土的含冰量不等于冻土融化时的含水率,
23、 衡量冻土中含冰量的指标有相对含冰量、质量含冰量和体积含冰量。相对含冰量是冻土中冰的质量与全部水的质量之比; 质量含冰量是冻土中冰的质量与冻土中土骨架质量之比; 体积含冰量是冻土中冰的体积与冻土总体积之比。3.重度冻土重度分为三种: 原状冻土的重度0,它等于天然土的重量与它的的体积之比; 骨架重度d,等于干土重量与它在天然状态时的体积之比; 冰包裹体之间冻土层的骨架重度di。其中后两者是附加的重度指标。1.3.2 冻土的变形性质1.冻土的蠕变特性冻土在固定的长期荷载作用下,其变形随时间而增加的现象叫做蠕变。蠕变与作用的荷载大小有关,它可能是衰减的或非衰减的。如果有效应力比长期强度的极限值小,就
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