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1、多年冻土地区公路修筑技术探讨章金钊章金钊章金钊章金钊 教授级高工教授级高工教授级高工教授级高工中交第一公路勘察设计研究院有限公司中交第一公路勘察设计研究院有限公司中交第一公路勘察设计研究院有限公司中交第一公路勘察设计研究院有限公司寒区道路工程研究所寒区道路工程研究所寒区道路工程研究所寒区道路工程研究所2008-04一、青藏公路简介一、青藏公路简介青藏公路全长青藏公路全长青藏公路全长青藏公路全长1937km1937km，起点西宁市，经格尔木，起点西宁市，经格尔木，起点西宁市，经格尔木，起点西宁市，经格尔木至拉萨市，被誉为西藏的至拉萨市，被誉为西藏的至拉萨市，被誉为西藏的至拉萨市，被誉为西藏的“
2、“生命线生命线生命线生命线” ”，西藏同胞，西藏同胞，西藏同胞，西藏同胞称之为称之为称之为称之为“ “金桥金桥金桥金桥” ”；青藏公路格尔木至拉萨段青藏公路格尔木至拉萨段青藏公路格尔木至拉萨段青藏公路格尔木至拉萨段1155km 1155km ；高原多年冻土区高原多年冻土区高原多年冻土区高原多年冻土区760760多公里，其中多年冻土连续多公里，其中多年冻土连续多公里，其中多年冻土连续多公里，其中多年冻土连续分布区分布区分布区分布区550km550km；海拔海拔海拔海拔280028005231m5231m，4000m4000m以上以上以上以上960960多公里；多公里；多公里；多公里；空气含氧量仅
3、为内地海平面的空气含氧量仅为内地海平面的空气含氧量仅为内地海平面的空气含氧量仅为内地海平面的50%50%；平均气温平均气温平均气温平均气温-2-2-7-7，每年冻结期达，每年冻结期达，每年冻结期达，每年冻结期达7 78 8个月，且个月，且个月，且个月，且雨、雪和冰雹不断，加之高原多年冻土区特有的雨、雪和冰雹不断，加之高原多年冻土区特有的雨、雪和冰雹不断，加之高原多年冻土区特有的雨、雪和冰雹不断，加之高原多年冻土区特有的地下冰、冰椎、冰丘及热融湖塘等不良地质件。地下冰、冰椎、冰丘及热融湖塘等不良地质件。地下冰、冰椎、冰丘及热融湖塘等不良地质件。地下冰、冰椎、冰丘及热融湖塘等不良地质件。 青藏公路
4、建设简况青藏公路建设简况19541954年初通年初通年初通年初通 路基高度路基高度路基高度路基高度: 00.3m(: 00.3m(泥土或砂砾路面泥土或砂砾路面泥土或砂砾路面泥土或砂砾路面) )1956195819561958年第次一改建年第次一改建年第次一改建年第次一改建 路基仍不足路基仍不足路基仍不足路基仍不足0.5m (0.5m (砂砾或泥土路面砂砾或泥土路面砂砾或泥土路面砂砾或泥土路面) ) 1973198519731985年第二次改建年第二次改建年第二次改建年第二次改建 路基高度路基高度路基高度路基高度0.51.5m,0.51.5m,全线修筑沥青路面全线修筑沥青路面全线修筑沥青路面全线
5、修筑沥青路面 1992200019922000年年年年 整治工程整治工程整治工程整治工程(684km) (684km) 路基高度路基高度路基高度路基高度1.83.5m 1.83.5m 修筑修筑修筑修筑SBRSBR改性沥青路面改性沥青路面改性沥青路面改性沥青路面 第一期整治工程第一期整治工程第一期整治工程第一期整治工程(339km),199295(339km),199295年年年年 第二期整治工程与零星整治工程第二期整治工程与零星整治工程第二期整治工程与零星整治工程第二期整治工程与零星整治工程(205km/60km)199699(205km/60km)199699年年年年 羊八井至拉萨改建工程羊
6、八井至拉萨改建工程羊八井至拉萨改建工程羊八井至拉萨改建工程(80km),200001(80km),200001年年年年 2002200420022004年年年年 整治改建工程整治改建工程整治改建工程整治改建工程(780km)(780km) 路基高度路基高度路基高度路基高度1.83.5m ,1.83.5m ,采用采用采用采用EPSEPS板、板、板、板、XPSXPS板隔热层路基路、热棒制冷板隔热层路基路、热棒制冷板隔热层路基路、热棒制冷板隔热层路基路、热棒制冷路基、碎石坡面、片块石路基和遮阳板路基等新结构试验工程路基、碎石坡面、片块石路基和遮阳板路基等新结构试验工程路基、碎石坡面、片块石路基和遮阳
7、板路基等新结构试验工程路基、碎石坡面、片块石路基和遮阳板路基等新结构试验工程 修筑修筑修筑修筑SBRSBR改性沥青路面改性沥青路面改性沥青路面改性沥青路面青藏公路冻土科研简况青藏公路冻土科研简况19731979路基、路面路基、路面19791975地下冰分布规律地下冰分布规律路基、路面、桥梁路基、路面、桥梁19851999工程地质、路基、路面工程地质、路基、路面桥涵、数据库桥涵、数据库20012007高温高含冰量多年冻土区地基稳定性高温高含冰量多年冻土区地基稳定性创新工程措施：被动、主动及二者相结合创新工程措施：被动、主动及二者相结合 治理路基病害与治理环境相结合治理路基病害与治理环境相结合路基
8、稳定性问题的研究是长期的。路基稳定性问题的研究是长期的。主要标志：路基下人为上限逐年加深；路基下人为上限逐年加深； 冻土地温逐年升高；路基病害仍在不断出现。冻土地温逐年升高；路基病害仍在不断出现。多年冻土地区公路修筑成套技术研究多年冻土地区公路修筑成套技术研究 多年冻土地区公路工程地质研究多年冻土地区公路工程地质研究多年冻土地区公路工程地质研究多年冻土地区公路工程地质研究 多年冻土地区公路病害和机理研究多年冻土地区公路病害和机理研究多年冻土地区公路病害和机理研究多年冻土地区公路病害和机理研究 水、热、力耦合效应与路基路面温度场变化规律研究水、热、力耦合效应与路基路面温度场变化规律研究水、热、力
9、耦合效应与路基路面温度场变化规律研究水、热、力耦合效应与路基路面温度场变化规律研究 多年冻土地区路基稳定性技术研究多年冻土地区路基稳定性技术研究多年冻土地区路基稳定性技术研究多年冻土地区路基稳定性技术研究 多年冻土地区路面设计与施工技术研究多年冻土地区路面设计与施工技术研究多年冻土地区路面设计与施工技术研究多年冻土地区路面设计与施工技术研究 多年冻土地区桥涵工程技术研究多年冻土地区桥涵工程技术研究多年冻土地区桥涵工程技术研究多年冻土地区桥涵工程技术研究 多年冻土地区公路生态环境保护与评价技术研究多年冻土地区公路生态环境保护与评价技术研究多年冻土地区公路生态环境保护与评价技术研究多年冻土地区公路
10、生态环境保护与评价技术研究 多年冻土地区公路养护与维修技术研究多年冻土地区公路养护与维修技术研究多年冻土地区公路养护与维修技术研究多年冻土地区公路养护与维修技术研究 季节性冰冻地区路基路面稳定技术研究季节性冰冻地区路基路面稳定技术研究季节性冰冻地区路基路面稳定技术研究季节性冰冻地区路基路面稳定技术研究 高原（山）地区筑养路职工安全与健康保障研究高原（山）地区筑养路职工安全与健康保障研究高原（山）地区筑养路职工安全与健康保障研究高原（山）地区筑养路职工安全与健康保障研究 多年冻土地区沥青路面耐久性能研究多年冻土地区沥青路面耐久性能研究多年冻土地区沥青路面耐久性能研究多年冻土地区沥青路面耐久性能研
11、究二、冻土及其特征概念概念冻土，一般指温度在冻土，一般指温度在0或或00以下并含以下并含有冰的岩土和土壤（不含冰的称为寒土）。有冰的岩土和土壤（不含冰的称为寒土）。 多年冻土（永久冻土）多年冻土（永久冻土）多年冻土（永久冻土）多年冻土（永久冻土）冻结状态保持在两年至几万年以上的岩土和土壤冻结状态保持在两年至几万年以上的岩土和土壤冻结状态保持在两年至几万年以上的岩土和土壤冻结状态保持在两年至几万年以上的岩土和土壤 季节冻土季节冻土季节冻土季节冻土 冻结时间在半月至数月，还有一种短时冻土冻结时间数小时、数日以至半月冻结时间在半月至数月，还有一种短时冻土冻结时间数小时、数日以至半月冻结时间在半月至数
12、月，还有一种短时冻土冻结时间数小时、数日以至半月冻结时间在半月至数月，还有一种短时冻土冻结时间数小时、数日以至半月冻土二、冻土及其特征多年冻土与季节冻土多年冻土与季节冻土多年冻土与季节冻土在冻结过程中的水分迁移有多年冻土与季节冻土在冻结过程中的水分迁移有多年冻土与季节冻土在冻结过程中的水分迁移有多年冻土与季节冻土在冻结过程中的水分迁移有根本区别，因而，对不同类型冻土工程采取的处根本区别，因而，对不同类型冻土工程采取的处根本区别，因而，对不同类型冻土工程采取的处根本区别，因而，对不同类型冻土工程采取的处理措施应不相同。理措施应不相同。理措施应不相同。理措施应不相同。多年冻土区路基融沉与翻浆的基本
13、原理多年冻土区路基融沉与翻浆的基本原理天然上限天然上限人为人为上限上限多年冻土层多年冻土层季节活动层季节活动层融沉融沉翻浆与翻浆与水分水分翻浆与翻浆与水分水分水、土、温水、土、温季节冻土区路基翻浆基本原理季节冻土区路基翻浆基本原理最大最大冻深冻深水分迁移水分迁移水、土、温三、多年冻土分布 全球多年冻土分布全球多年冻土分布全球多年冻土面积约占陆地面积的20%；其中：俄罗斯多年冻土面积俄罗斯多年冻土面积10001000万万kmkm2 2；加拿大多年冻土面积加拿大多年冻土面积440440万万kmkm2 2；中国多年冻土面积中国多年冻土面积215215万万kmkm2 2；美国多年冻土面积美国多年冻土面
14、积140140万万kmkm2 2；挪威、芬兰、丹麦、智利等国家也有少量多年挪威、芬兰、丹麦、智利等国家也有少量多年冻土。冻土。三、多年冻土分布 我国多年冻土分布我国多年冻土分布我国多年冻土主要分布在青藏高原、东北大小兴安我国多年冻土主要分布在青藏高原、东北大小兴安我国多年冻土主要分布在青藏高原、东北大小兴安我国多年冻土主要分布在青藏高原、东北大小兴安岭及西部零星的高山区。岭及西部零星的高山区。岭及西部零星的高山区。岭及西部零星的高山区。 青藏高原多年冻土属高海拔、低纬度多年冻土，约有青藏高原多年冻土属高海拔、低纬度多年冻土，约有青藏高原多年冻土属高海拔、低纬度多年冻土，约有青藏高原多年冻土属高
15、海拔、低纬度多年冻土，约有147147万万万万kmkm2 2； 大小兴安岭多年冻土属低海拔、高纬度多年冻土；大小兴安岭多年冻土属低海拔、高纬度多年冻土；大小兴安岭多年冻土属低海拔、高纬度多年冻土；大小兴安岭多年冻土属低海拔、高纬度多年冻土； 除多年冻土外，冻深大于除多年冻土外，冻深大于除多年冻土外，冻深大于除多年冻土外，冻深大于50cm50cm的季节冻土约占我国领土的的季节冻土约占我国领土的的季节冻土约占我国领土的的季节冻土约占我国领土的70% 70% 。四、多年冻土发育的条件 多年冻土的发育主要受海拔高度、纬度的影响，气候、地质地貌、土多年冻土的发育主要受海拔高度、纬度的影响，气候、地质地貌
16、、土多年冻土的发育主要受海拔高度、纬度的影响，气候、地质地貌、土多年冻土的发育主要受海拔高度、纬度的影响，气候、地质地貌、土质、地表植被等小区域条件对其也有较大影响。质、地表植被等小区域条件对其也有较大影响。质、地表植被等小区域条件对其也有较大影响。质、地表植被等小区域条件对其也有较大影响。 欧亚大陆多年冻土南界：北纬欧亚大陆多年冻土南界：北纬欧亚大陆多年冻土南界：北纬欧亚大陆多年冻土南界：北纬6262度；度；度；度； 我国东北多年冻土南界：北纬我国东北多年冻土南界：北纬我国东北多年冻土南界：北纬我国东北多年冻土南界：北纬47494749度；度；度；度； 年平均气温：年平均气温：年平均气温：年
17、平均气温：0 0 1.0 1.0高纬度多高纬度多年冻土年冻土四、多年冻土分布的条件 多年冻土的发育主要受海拔高度、纬度的影响，气候、地质地貌、土多年冻土的发育主要受海拔高度、纬度的影响，气候、地质地貌、土多年冻土的发育主要受海拔高度、纬度的影响，气候、地质地貌、土多年冻土的发育主要受海拔高度、纬度的影响，气候、地质地貌、土质、地表植被等小区域条件对其也有较大影响。质、地表植被等小区域条件对其也有较大影响。质、地表植被等小区域条件对其也有较大影响。质、地表植被等小区域条件对其也有较大影响。 阿尔泰山多年冻土下界：阿尔泰山多年冻土下界：阿尔泰山多年冻土下界：阿尔泰山多年冻土下界：2200m2200
18、m； 喜玛拉雅山多年冻土下界：喜玛拉雅山多年冻土下界：喜玛拉雅山多年冻土下界：喜玛拉雅山多年冻土下界：4900m4900m； 青藏公路沿线多年冻土下界：青藏公路沿线多年冻土下界：青藏公路沿线多年冻土下界：青藏公路沿线多年冻土下界：4150m4150m（北）（北）（北）（北）4535m(4535m(南）南）南）南） 年平均气温：年平均气温：年平均气温：年平均气温：-2.0 -3.6-2.0 -3.6高海拔多高海拔多年冻土年冻土五、冻土工程分类按冻土含冰量（融沉性）分： 少冰冻土、多冰冻土（低含冰量冻土）少冰冻土、多冰冻土（低含冰量冻土）少冰冻土、多冰冻土（低含冰量冻土）少冰冻土、多冰冻土（低含冰
19、量冻土） 、 富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层（高含冰量冻土）富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层（高含冰量冻土）富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层（高含冰量冻土）富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层（高含冰量冻土）按年平均地温分：按年平均地温分：按年平均地温分：按年平均地温分：高温冻土、低温冻土（主要以路基病害程度为依据）高温冻土、低温冻土（主要以路基病害程度为依据）高温冻土、低温冻土（主要以路基病害程度为依据）高温冻土、低温冻土（主要以路基病害程度为依据）六、六、多年冻土地区路基设计理念与原则多年冻土地区路基设计理念与原则国际惯例：国际惯例：保护冻土与破坏冻土（预融）保护冻土与破坏冻土（预融）新的发展：新的发展：
20、（引入冻土地温）（引入冻土地温） 保护冻土保护冻土保护冻土（低温冻土）保护冻土（低温冻土）控制融化速率（高温冻土）控制融化速率（高温冻土）破坏冻土破坏冻土（预融）（预融）综合治理：综合治理：垂直方向垂直方向横断面方向横断面方向发展方向垂直方向垂直方向六、多年冻土地区路基设计理念与原则六、多年冻土地区路基设计理念与原则保护冻土保护冻土：保持多年冻土天然上限不下降多年冻土天然上限多年冻土天然上限多年冻土人为上限多年冻土人为上限 季节活动层季节活动层 多年冻土层多年冻土层融化盘融化盘六、多年冻土地区路基设计理念与原则六、多年冻土地区路基设计理念与原则破坏冻土破坏冻土：预融化多年冻土或将冻土清除多年冻
21、土天然上限多年冻土天然上限 季节活动层季节活动层 多年冻土层多年冻土层多年冻土天然下限多年冻土天然下限七、多年冻土地区路基设计填土路基：路基临界高度填土路基：路基临界高度填土路基：路基临界高度填土路基：路基临界高度(H(H临临临临) )HH临临临临 ：保持多年冻土天然上限不保持多年冻土天然上限不下降的最小填土高度。下降的最小填土高度。HH临临临临人为上人为上限限h人人h人人：人为活动影响形成的新上限：人为活动影响形成的新上限h人人=h天天+H临临天然上限天然上限八、冷却冻土路基的工程措施八、冷却冻土路基的工程措施传统的：传统的：填土路基填土路基交通科技发展战略提出：交通科技发展战略提出：提高公
22、路交通设施全寿命的使用提高公路交通设施全寿命的使用品质，降低品质，降低全寿命全寿命使用成本使用成本传统的创新型的发展填土路基填土路基隔热层路基隔热层路基热棒路基热棒路基碎石（片块石）路基碎石（片块石）路基通风管路基通风管路基旱桥旱桥浅色路面浅色路面填土填土一次性成本较低较低的工程措施：一次性成本高高的工程措施隔热层路基隔热层路基热棒路基热棒路基通风管路基通风管路基旱桥旱桥填土路基、碎石（片块石）路基填土路基、碎石（片块石）路基八、冷却冻土路基的工程措施八、冷却冻土路基的工程措施九、冻土路基病害热融沉陷热融沉陷九、冻土路基病害路基裂缝路基裂缝九、冻土路基病害 路基翻浆路基翻浆九、冻土路基病害（地
23、震）2001.11.142001.11.14路基裂缝路基裂缝十、路面病害十一、桥梁基础病害十、高原多年冻土区对公路的客观条件十、高原多年冻土区对公路的客观条件 -路基路基路基路基全球气温转暧全球气温转暧全球气温转暧全球气温转暧多年冻土正在弱化或退化多年冻土正在弱化或退化多年冻土正在弱化或退化多年冻土正在弱化或退化黑色路面的强烈吸热黑色路面的强烈吸热黑色路面的强烈吸热黑色路面的强烈吸热黑色路面封闭阻止热量蒸发黑色路面封闭阻止热量蒸发黑色路面封闭阻止热量蒸发黑色路面封闭阻止热量蒸发多年冻土对热扰动敏感性高多年冻土对热扰动敏感性高多年冻土对热扰动敏感性高多年冻土对热扰动敏感性高公路沿线冻土环境被严重
24、破坏公路沿线冻土环境被严重破坏公路沿线冻土环境被严重破坏公路沿线冻土环境被严重破坏路基施工期为高原雨季路基施工期为高原雨季路基施工期为高原雨季路基施工期为高原雨季高路基路段阴阳坡差异大高路基路段阴阳坡差异大高路基路段阴阳坡差异大高路基路段阴阳坡差异大十二、高原多年冻土区对公路的客观条件十二、高原多年冻土区对公路的客观条件 -路面路面紫外线强紫外线强气温低，日温差大（路面使用过程中）气温低，日温差大（路面使用过程中）原材料品质差原材料品质差路面施工期温度低路面施工期温度低路面施工期为高原雨季路面施工期为高原雨季路基不均匀变形量大路基不均匀变形量大十二、高原多年冻土区对公路的客观条件十二、高原多年
25、冻土区对公路的客观条件 -桥梁、涵洞桥梁、涵洞地基冻融对桥涵基础的作用地基冻融对桥涵基础的作用桥涵施工气温低桥涵施工气温低原材料品质差原材料品质差高含盐、碱水质对结构的腐蚀高含盐、碱水质对结构的腐蚀十二、高原多年冻土区对公路路基的对策十二、高原多年冻土区对公路路基的对策增大热阻增大热阻增大热阻增大热阻向路基底部输送冷量向路基底部输送冷量向路基底部输送冷量向路基底部输送冷量构建开放式结构的路基构建开放式结构的路基构建开放式结构的路基构建开放式结构的路基遮阳遮阳遮阳遮阳恢复、治理公路沿线的冻土环境恢复、治理公路沿线的冻土环境恢复、治理公路沿线的冻土环境恢复、治理公路沿线的冻土环境选择水稳性好的筑路
26、材料选择水稳性好的筑路材料选择水稳性好的筑路材料选择水稳性好的筑路材料消除高路基阴阳坡差异消除高路基阴阳坡差异消除高路基阴阳坡差异消除高路基阴阳坡差异加强路基防排水工程措施加强路基防排水工程措施加强路基防排水工程措施加强路基防排水工程措施十二、高原多年冻土区对公路十二、高原多年冻土区对公路路面工程路面工程对策对策提高路面结合料的低温性能提高路面结合料的低温性能选择优良的筑路材料选择优良的筑路材料选择气温较高的施工季节选择气温较高的施工季节路面施工中采取保温、防雨措施路面施工中采取保温、防雨措施提高路面抗变形、适应变形的能力提高路面抗变形、适应变形的能力十二、高原多年冻土区对十二、高原多年冻土区对桥梁、涵洞桥梁、涵洞对策对策设置合理的基础埋设深度设置合理的基础埋设深度提高结构的抗冻性能提高结构的抗冻性能选择优良的建筑材料选择优良的建筑材料设置适应变形能力强的结构设置适应变形能力强的结构设置抗盐、碱性腐蚀强的结构设置抗盐、碱性腐蚀强的结构二二OO八年四月八年四月
