多年冻土地区公路病害防治技术指南高原冻土.docx
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1、震后交通基础设施重建技术系列指南之八多年冻土地区公路病害防治技术指南目 录1 总则12 术语、符号12.1 术语12.2 符号33 冻土和冻土工程中的基本规定44 公路沿线多年冻土勘查54.1 公路沿线多年冻土勘察的基本要求54.2 公路沿线冻土工程地质调查64.3 公路沿线冻土工程地质勘探94.4 冻土温度的确定114.5 冻土物理和力学参数的测试115 多年冻土地区公路病害115.1 多年冻土地区公路病害类型和特征125.2 多年冻土区公路病害分级145.3 多年冻土区公路病害调查175.4 多年冻土地区公路病害机理196 多年冻土地区公路病害防治概述246.1 多年冻土地区公路病害防治的
2、目的和原则246.2 防治的内容256.3 防治的方法256.4 防治的五个阶段266.5 多年冻土区公路病害防治的标准267 多年冻土地区公路路基设计277.1 冻土路基设计的一般规定277.2 少冰、多冰冻土地段的路基297.3 高含冰量冻土地段路基297.4 冰锥、冻胀丘地段路基317.5 热融滑塌地段路基327.6 热融湖(塘)地段路基327.7 冻土沼泽(沼泽化湿地)地段路基337.8 支挡建筑物337.9 路基排水347.10 取土场、弃土堆358 多年冻土地区公路路基施工369 多年冻土地区公路病害防治措施389.1 预防措施一保温路基389.2 预防措施二通风管路基409.3
3、预防措施三低架旱桥429.4 治理措施一遮阳板护坡439.5 治理措施二碎石护坡459.6 病害治理措施的养护471 总则1.0.1 本指南主要根据青藏公路、214国道等研究较为深入的多年冻土区公路的观测资料分析总结并结合仿真分析研究而编制,对于其它多年冻土区公路的适用性还需要考虑当地气候、冻土环境的特殊性。1.0.2 本指南主要内容为多年冻土区路基工程方面的病害。1.0.3 本指南涉及多年冻土区公路路基设计一般原则、公路沿线多年冻土勘察、多年冻土区公路路基主要病害类型、病害形成机理、多年冻土区冻土工程地质条件稳定性评价、多年冻土区公路路基病害防治对策等方面的内容。2 术语、符号2.1 术语2
4、.1.1 多年冻土冻结状态持续二年或二年以上的土(岩)。冻结状态下的多年冻土强度较高,但是由于其内部常常含有冰,冻土融化后往往发生融沉和融化压缩变形,强度大大降低,继而危害上部工程建筑物的稳定性。2.1.2 融区指多年冻土区内由于热力作用形成的非多年冻土地段。2.1.3 地温年较差某一深度处地温在一年中最高与最低温度的差值(一般按一年中最热月与最冷月的月平均温度计算)。2.1.4 年平均地温指年温度较差为零深度处的地温。年零较差的深度称为地温年变化深度。2.1.5 季节冻结层每年寒季冻结、暖季融化,其年平均低温高于0的地表层,其下卧层为非冻结层或不衔接多年冻土层。2.1.6 季节融化层每年寒季
5、冻结、暖季融化,其年平均低温低于0的地表层,其下卧层为多年冻土层。2.1.7 多年冻土天然上限天然条件下,多年冻土层顶面的埋藏深度。2.1.8 多年冻土人为上限人为条件影响下,多年冻土层顶面的埋藏深度。对多年冻土地区的公路工程而言,路基下人为上限等于路面到路基下多年冻土层顶面的距离。2.1.9 多年冻土下限指多年冻土层下界面的埋藏深度。2.1.10 衔接多年冻土直接位于季节融化层之下的多年冻土。2.1.11 不衔接多年冻土季节冻结层的冻结深度浅于天然上限的多年冻土。2.1.12 融沉系数冻土在融化过程中,在自重作用下产生的下沉量与融化前相应厚度之比值。2.1.13 融化压缩系数指冻土在融化后,
6、在单位荷载作用下产生的相对压缩变形量。2.1.14 冻胀率指单位冻结深度的冻胀量,即在某一冻结深度范围内的冻胀量与响应的冻结深度之比值。2.1.15 冰椎多年冻土地区地下水在寒季流出地表冻结所形成的冰体。河流中形成的冰椎也叫冰幔。2.1.16 冻土沼泽在多年冻土地区,由于地表水、地下水的影响,地面长期潮湿,生长喜湿和喜水植物,并有泥炭堆积的山前斜坡或山间洼地。2.1.17 冻胀丘由土的差异冻胀作用所形成的丘状地形。2.1.18 热状(热管桩)内部采用对流原理制作的汽液两相或者单相液体工作的管状换热装置。2.1.19 融化盘在工程作用下,多年冻结地基土的一部分发生融化,形如盘、盆状,故称融化盘。
7、2.1.20 冻土核指在天然地面上的工程填土内,残留或发育形成的冻土体。2.1.21 不良冻土现象又称不良冷生现象,指土体的冻结和融化作用产生的对工程有不利影响的新形成物及中小型地形,如冰椎、冻胀丘、融冻泥流、热融滑坍和热融湖塘等现象。2.2 符号2.2.1 冻土物理力学性质指标1 冻土总含水率(%);2 冻土相对含冰率(%);3 冻土体积含冰率(%);4 冻土天然密度(Kg/m3);5 冻土骨架密度(Kg/m3);6 冻土干密度(Kg/m3);7 冻土塑性指数;8 冻土孔隙比;9 冻土融化下沉系数(%);10 冻土层的平均冻胀率(%);11 冻土未冻含水率(%);12 土的液性指数。2.2.
8、2 冻土热学性质指标1 、冻土、未冻土导热系数(W/mK);2 、冻土、未冻土体积热容量(J/m3K);3 冻、融土的相变潜热(J)。2.2.3 冻土季节冻结、融化层数1 多年冻土天然上限(m);2 多年冻土人为上限(m);3 年平均地温();3 冻土和冻土工程中的基本规定3.0.1 多年冻土具有融化下沉性,根据土的融化下沉系数的大小,可以划分为不融沉、弱融沉、融沉、强融沉和融陷五级(参见附录A)。3.0.2 多年冻土按含冰类型可分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层等五类。其中富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层又统称为高含冰量冻土。各种含冰类型冻土的判别依据参见附录B。3.0.3 高
9、原多年冻土的低温分区,按多年冻土年平均气温Tep,可分为以下四类:1 多年冻土年平均低温-0.5时,属高温极不稳定冻土区。2 多年冻土年平均低温-1.5 -0.5时,属高温不稳定冻土区;3 多年冻土年平均低温-3.0 -1.5时,属低温基本稳定冻土区;4 多年冻土年平均低温2L/S)、较大稳定排泄带每年均有冻胀丘产生大大冻土层上水谷、盆地河流阶地季节性(一般610月)较小(1L/S)、间歇性不稳定偶尔有融冻滑塌产生一般暖季4.2.3 现有工程建筑物的调查是冻土工程地质调查的重要内容,尤其是青藏高原多年冻土地区。现有工程的一些工程作用与现象可以作为是否存在多年冻土的指示。对现有工程基础的稳定性分
10、析可以帮助判断冻土的工程地质条件,同时工程的病害与成功案例可以为新的类似工程直接提供借鉴。青藏高原东部多年冻土区主要的工程建筑是道路工程(路基与桥涵)和居民住房,对这些工程的调查应侧重如下内容。路基病害:确定路基基底的冻土工程地质类型,冻结基底的土层性质与物理性质,填土路堤的结构、成分与高度,道路建成运行时间,道路运行稳定性特征及病害特点,病害发生时间,病害类型,病害原因。涵洞病害:确定涵洞结构类型,基础埋深、基础土质类型与含冰性质,涵洞过水状况,冰塞现象,涵洞病害情况,涵洞病害的原因分析。桥墩台病害:调查桥墩台所处的冻土工程地质条件(土质条件、冻土条件、水文条件),墩台病害特征等。房屋病害:
11、调查房屋地基土性质,冻土条件,基础类型与基础埋深,病害特征(墙壁热融沉断里、屋内热融下沉、冻胀融化差异引起的墙壁裂缝、倾斜等)。若是连续发生屋内及强体下沉现象,一般可以判断为多年冻土地基。4.2.4 融区调查融区调查大致分为两大类,其一是分布于大片连续多年冻土区中的早期融区,其二是分布于多年冻土下界附近,近期冻土退化形成的融区。前者分布往往成线状和带状,后者为片状。正确确定融区有助于寻找良好的工程地质地段,以降低工程造价,确定居民点位置和供水水源地。在地面调查阶段确定融区主要的依据是:常年径流或者径流期长的大中江河的河槽、河漫滩阶地等;地下水活动或直接作为排泄带的构造断裂破碎带,包括山前断裂、
12、河谷断裂等,大部分存在融区。这种融区类型除了地形标志外,地下水(泉)常年排泄、寒季冰椎的产生均可以作为判断依据,这是可以进一步通过测定浅层低温以判断其宽度与分布范围。活动型冻胀丘多数是因周围多年冻土作为个水曾、融区含水层受季节冻结层作用(受压)而形成的,据此不但可以判断有稳定融区分布,而且可以判别其周围有多年冻土存在;常年性给水水井,这也是融区存在的标志,如214过道上的温泉、黄河沿、玛多等地的水井和109国道上不冻泉水井,沱沱河沿水井均具有融区的标志作用;冻土区内一些居民点,基础稳定,多年使用仍完好,一般多属融区;道路工程,随填土高度较低,但经多年运行,路基稳定,极少有病害,这些路段也可能是
13、融区。4.2.5 多年冻土的指示标志在109国道唐古拉山以北、214国道巴颜喀拉山以北地区,海拔在4400m以上的均属多年冻土分布去,这些地段年平均气温一般低于-3.5,根据海拔来判断这些地段属多年冻土是容易的。较难识别的是大山系间的河流、谷盆低洼地以及高山多年冻土分布下界附近的冻土岛,而判别这些冻土岛是工图工程地质调查阶段的主要任务之一。据以下标志可以初步判断多年冻土是否存在:(1)永久性冻胀丘和热融滑坍、热融崩塌等不良冻土现象是指示多年冻土存在的重要标志;(2)每年79月间的道路热融深翻浆和民房基础多年连续热融下沉等工程病害也是多年冻土存在的重要标识。下列现象可以作为冻土是否存在的参考指标
14、:残留小型冻胀丘群分布既可能表示冻土已退化消融,同时也往往可能指示有少量冻土岛存在;在普遍较干燥地段分布相对发育的“植被岛”,及山前平缓台地,山间低洼的“植被岛”同时表示此处赋存多年冻土;有些活动性小冻胀丘分布的沼泽湿地;平缓干燥地段上的“湿地岛”(在暖季雨后更潮湿)等。4.3 公路沿线冻土工程地质勘探公路沿线冻土工程地质勘探应在工程地质调查基础上进行,勘探点的布设应坚持点、线、面相结合,特别是在线路勘探中不搞勘探电平均布设。工程地质条件单一、简单的地段,原工作程度较高地段和有可靠实践经验可借鉴的地段等可以减少勘探点和勘探工作量。在下列地段则应增大勘探密度、增加勘探工作量:厚层地下冰地段、沼泽
15、湿地发育地段、低填浅挖地段、岛状冻土分布地段、融区与冻土过渡地段、典型工点和重点工程地段。冻土工程地质勘探应采用综合勘探技术手段,特别要重视高技术的应用,以钻探为主导,以坑探为补充,以物探为联系及扩充,统一布置,互为一体。4.3.1 工程地质钻探通过钻探工作要确定土岩特别是松散土层的组成成分、厚度及物理性质,冻土的组成成分、含冰特征与含冰量,冻结松散层厚度,天然冻土上限、天然最大融化上限,为冻土物理、热物理和力学参数测定提供样品,为冻土地温测量(冻土年平均地温等)提供测孔。(1)钻孔布置公路路基工程平均每公里5个以上钻孔,一般地段250m一个,简单地段300m一个,复杂地段100m一个。挖方地
16、段一般必须打孔。路基钻孔深度一般不得小于8m。(2)钻进与采样冻土钻孔直径一般要求89mm以上,通常采用干钻,以低钻速、小进尺、多提钻来提高岩芯采取率和冻土样。(3)岩芯的观察与编录对岩芯的观察与编录除了要完成普通的编录以外,还要对冻土特征做详细描述,譬如冻土的含冰类型(参见附录B)、冻土的结构和构造(参看附录C),同时还要对冻土的融沉性进行现场初判(参见附录D)。对少、多冰冻土岩芯和被钻探严重扰动的岩芯(在钻进速度较慢的碎石土地段,岩芯可能由于长时间的被摩擦而融化)而言,判断岩芯是否冻结比较困难。因此,要仔细观察岩芯中残留的微量冰屑、冰晶花,可以借助放大镜观察;观察冻融岩芯分界深度(即钻探时
17、的融化深度),观察分析冻土上限位置和多年冻土含冰分布规律。在大部分情况下,由于钻探工作并非在达到最大融化深度时进行,因此往往不能够通过岩芯的冻融界面来判断上限,此时经常采用的一个方法是观察岩芯中含冰量的变化,在含冰量变化显著的位置可能就表明此处就是上限。准确的上限确定依靠测温资料、结合地表、土质、含水量、气候等因素综合判别给出。(4)钻探取样钻孔样品含水量与容重分析试验一般要在现场完成,有孔必做。在冻土上限之上,一般取样间隔不得大于0.5m,在冻土上限附近(0.5m)取样点距不得大于0.25m,在多年冻土层内点距一般为0.30.4m。若含水量与容重在垂向空间上分布较均匀,可以用“点取法”,若分
18、布不均匀,最好用刻槽平均取样。供测定热血参数的样品,一般不得少于2Kg,而供测定冻土力学参数的样品,一般不得少于10Kg,最好在15Kg以上,因此靠一钻孔采样往往满足不了要求,而需要采用多个钻孔联合取样。对于道路工程热物理、力学参数试验仅要求取代表性土样进行试验,对道路工程每百公里取34个试样。4.3.2 工程地质坑探坑探可以作为勘探点网的一个重要组成部分,布置于两钻孔间以增加勘探密度,也可用作钻孔的补充,弥补钻孔取样的不足,为观察冻土提供直观样品;坑探也是判断多年冻土上限的重要手段。坑探深度一般要超过冻土上限以下0.51.0m,细颗粒土坑探还可以配合钎探,扩大深度。坑探大小一般为(0.81.
19、0)(1.21.5)m,上宽下窄。高原地区的旱天最适合探坑挖掘。为防止冻土层上水或雨雪水深入探坑,应快速施工,当日开工,当日完成,并做好编录、取样和回填工作。4.3.3 地球物理勘探地球物理勘探方法具有轻便、快捷的优点,结合钻探、坑探等资料可以把有限的点状地质资料推广至线状甚至面状的资料,大大提高了多年冻土勘探的地质信息含量。根据目前的技术发展状况,我国的多年冻土物探主要采用探地雷达来完成,尤其是仅10a来,探地雷达已成为青藏高原多年冻土区和我国东北多年冻土区冻土探测的得力技术手段。借助于钻探、坑探等常规探测方法,雷达探测可以确定多年冻土的分布界限以及多年冻土的上限,同时在部分路段也可以确定冻
20、结松散层厚度和基岩埋深。在公路工程中,雷达勘测通常采用每公里500个测点,在复杂路段测点要加密至每米至少1个测点。在进行公路纵向地质雷达勘测时,探测深度一般在10m16m之间;在横向探测时,主要用来寻找上限的位置,探测深度一般选择8m左右。使用探地雷达进行公路沿线冻土勘测的最佳时间在910月,此时季节融化深度一般都达到上限位置,有利于通过雷达波寻找上限。探地雷达同其它物探设备一样,除了要结合钻探、坑探资料以外,沿线地形、地貌、地物、植被、路况等信息的记录,对于探地雷达资料的解译也是必不可少的。4.4 冻土温度的确定确定冻土温度就是要确定多年冻土的年平均地温,在有些情况下还要开展一些辅助观测,譬
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