冻土地区

冻土地区（精选12篇）

冻土地区 篇1

随着我国管道建设新高潮的到来, 给管道事业带来了前所未有的发展机遇。同时, 管道事业的迅猛发展也给科研开发工作提出了更多、更高的要求, 目前的许多研究课题都亟待解决。

在冻土地区铺设油气输送管道将遇到很多技术难题和挑战, 一方面, 土体的冻胀和融沉会对管壁产生额外应力, 在适当的条件下引起应力集中和塑性变形, 甚至造成管道破坏;另一方面, 埋设于冻土地带的管道会对周围环境产生扰动, 造成冻土退化, 反过来又影响管道安全。针对不同冻土地区的特点进行设计和施工, 并确保管道和环境的安全已成为世界管道工业的一项技术难题。为了配合我国高寒冻土地区油田管道科技攻关, 并为在冻土地区承揽对外合作项目的油田公司提供借鉴和启示, 本刊拟于今年第12期刊出“冻土地区管道敷设”专题, 及时介绍国外的设计特点和成功经验。征稿范围包括所有涉及国外油田季节性或永久性冻土地区管道敷设的内容, 例如主要技术难题、相应对策、研究状况以及防治冻害的措施。所有稿件都不需要排期, 一经采用, 稿酬从优。欢迎广大作译者踊跃投稿。

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冻土地区 篇2

多年来国内外在多年冻土地区修筑铁路有成功的经验，也有失败的教训，但都在不同程度上推动了人们对冻土问题的研究，加深了人们对冻土性质的认识。在我国有很多地区都是冻土地区，西藏自治区地处我国西南边疆，面积占全国国土的八分之一，是我国唯一一个不通铁路的省区，青藏铁路作为沟通西藏、青海与内地联系的重要通道，对加强北京和内地与西藏的联系、促进西藏各民族与内地各兄弟民族间的交往、增进各民族的团结、促进社会的发展、提高人民的生活水平、保持社会稳定、维护祖国统一、实施国家西部大开发战略具有极其主要的政治和经济意义。本文分析了多年冻土的特性以及多年冻土地区路基工程和桥涵基础工程所采取的设计原则，指出了施工工艺的正确选择是解决路基施工的技术关键，以及桥涵基础中的明挖基础施工技术进行了研究和总结，另外也对多年冻土地区的混凝土的施工工艺作了详细论述。

1、多年冻土的特性及其对铁路施工的影响

冻土是一种有其特殊性的土体，冻土的特殊性在于冻土的物理特性与稳定密切相关，对温度变化极为敏感且性质不稳定。冻土还与土中含冰量有关，而含冰量又直接与温度有关，它随着温度的升高而减少，造成冻土的.力学特性发生巨大变化。冻土在正负温度交替变化过程中水分产生剧烈的相变，伴随产生土体体积的变化，表现在工程建设中就是冻胀和融沉变形。多年冻土具有的流变性、融沉性和冻胀性对铁路建设影响严重。

由多年冻土引起的特殊工程地质问题，主要有融沉、冻胀和冰椎、冻胀丘、融冻泥流、热融滑坍、热融湖塘、沼泽湿地、厚层地下冰等不良地质现象。融沉是指多年冻土融化，使建在多年冻土区的建筑物地基变形和破坏，主要表现为路基下沉、路基向阳侧边坡和路肩开裂及下滑、路堑边坡溜塌等。冻胀是土体冻结时产生的最重要的物理一力学过程，是因为水由液体变成了固体，体积膨胀增大而产生的，表现为地表的不均匀升高变形。伴随土的冻胀，在建筑基础表面将作用冻胀力，从而产生冻胀变形，严重时将引起建筑物的破坏。在诸多不良冻土地质现象中，对温度变化最为敏感且对铁路路基的修筑影响最大而且不容易绕避的主要是厚层地下冰，其融化时产生大的下沉量会引起工程建筑物的严重变形和破坏。

2、多年冻土地区路基工程施工原则

对于路基施工而言，保护冻土，控制融化，破坏冻土原则是路基施工应该遵从的原则。

（1）保护冻土原则指应用该原则设计、施工的路基在规定的使用年限内，能保持其热稳定性。即人为上限始终控制在指定的深度范围内，保持其下卧多年冻土的冻结状态。

（2）控制融化原则是指在设计使用年限内允许所设计的路基基底（或边坡）多年冻土逐渐完全融化或产生局部融化，而且经融化下沉变形量计算，可以将融化速率和深度控制在路基稳定性所允许的变形范围之内。

（3）破坏冻土原则是指在设计文件中规定在施工过程中将基底（或边坡）多年冻土融化或清除（全部或达到设计深度），并将融化后的水份疏干。

3、多年冻土地区的桥涵基础施工技术研究

多年冻土地区桥涵地基的设计主要要注意保持冻结，允许融化两大原则。桥涵基础施工的重点是拼装式基础施工和现浇基础施工。基础拼装是工序中的一项重点与难点，为了有效的控制基础拼装的正确就位与平整度要求，施工中应着重从以下方面着手：

（1）采用人工配合汽车吊拼装，从入口端开始依次拼装成型；

（2）拼装前放出基础的轮廓尺寸，并在构件上标出中心线及吊装顺序的编号，以确保基础的正确就位；

（3）垫层顶面严格找平，以确保基础均匀受力，同时做到基础的顶面高差满足设计要求；

（4）拼装过程中，为了精确控制基础块的正确就位，技术人员采用经纬仪现场控制每一基础块的就位；

（5）为了保证涵节拼装的顺利进行，在基础拼装完成后立即按设计与规范要求进行沉降缝的施工。

高原多年冻土区现浇涵洞基础施工与内地普通涵洞的施工方法基本类似，我项目队施工时采用在搅拌站集中拌合，利用运输罐车运至现场，主要不同点表现在以下几个方面：

（1）多年冻土区明挖勘姻赌然溅吐觉佣的剧田显早强耐久吐混凝土。

（2）在水泥方面则选用了水化热较小的水泥。

（3）对混凝土拌合物的入模温度控制较严。为了有效控制其入模温度，要求现场有试验人员进行旁站，并对混凝土拌合物的温度进行严格测量。对拌合物温度达不到要求的，则要求调节水温重新拌合。为了保证砂石料拌合前的温度要求，在寒季施工时，混凝土拌合站搭设有暖棚，并在暖棚内生有火炉，对暖棚内的温度做到严格控制，并及时做好记录。

（4）对混凝土的养护要求较严格。当混凝土浇注完毕后，便及时采取防风防冻措施，采用蓄热法养护，待混凝土达到一定的抗冻强度后（七天左右）才能拆除模板。

另外，在涵洞基础沉降缝施工完成并检查合格后进行基坑回填，填料采用粗颗粒土，回填前对基础四周侧壁混凝土面按设计要求涂上防冻胀渣油，并采用平板振动夯进行分层夯实。

4、多年冻土地区混凝土施工技术研究。

多年冻土地区铁路施工多是在一些高原地带，这些地方的一些地段的河流中存在有害离子的侵蚀，部分路段还面临着强烈的风沙磨蚀。在这样特殊的环境下，对混凝土的低温硬化能力和耐久性能提出了更高的要求。低温早强耐久混凝土就是在这种特殊的环境下应运而生的一种高性能混凝土。它具有低温早强、耐腐蚀、高抗冻、高抗渗等高耐久性能，另一特点是早期强度高，后期强度不损失。负温达到极限时，混凝土也基本冻结，强度停止增长，但气温回升时，水泥颗粒继续水化，混凝土强度继续增长。混凝土灌注后，采取适当的加热和保温覆盖措施，较适用于低温环境下的施工。

（1）原料的选用

拌制低温早强耐久混凝土所用的原材料应符合寒季施工的要求。水泥优先采用普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥。硫铝酸盐水泥不得与硅酸盐水泥或石灰等碱性材料混和使用。硫（铁）铝酸盐水泥适用于钢筋混凝土现浇细薄截面结构、装配式结构的接头和孔道灌浆。不得使用矾土水泥（高铝水泥）。拌制混凝土用骨料应清洁，不得含有冰、雪、冻块及其它易冻裂物质。

（2）试配

对低温早强耐久混凝土来说，耐久性要求是其设计的依据。因而需要根据混凝土使用部位及地质条件、原材料情况、最小胶凝材料用量、使用环境温度、最大水胶比、拌合物和易性要求等具体情况选定。

（3）拌制过程控制

耐久混凝土应集中拌和、集中供应，禁止分散拌和。试验室在每次开盘前应提供当次的施工配合比，搅拌站工作人员应严格执行。拌制设备宜设在温度不低于10℃的暖棚内，拌制混凝土前及停止拌制后应用热水冲洗拌和机。

用于低温早强耐久混凝土的外加剂大都是引气剂，掺量过多会大幅降低混凝土的强度引起工程事故，掺量过少则不能发挥外加剂应有的性能。因此，在外加剂的计量上我们设专人负责，在混凝土拌制前事先称量配制并分袋装好。如果使用液体外加剂应随时测定溶液温度，并根据温度变化测定溶液浓度，这样既能保证称量准确又提高了混凝土拌制的工作效率。

（4）混凝土浇注

在浇注混凝土前，地基基础表面应予清理，并应采取防、排水措施，将模板内的杂物和钢筋上的油污等清除干净，模板应设置稳固，能够满足混凝土侧压力的要求，当模板有缝隙和孔洞时，应予堵塞，不得漏浆。

浇注混凝土应分层进行。其分层厚度（指捣实后厚度）应根据混凝土拌制能力、运输条件、浇注速度、振捣能力和结构要求等条件决定。浇注对冻土层有直接影响的混凝土结构时，混凝土的入模温度宜控制在2-5℃，浇注在低温或负温下养护且不与冻土层直接接触的混凝土结构时，混凝土的入模温度宜控制在5-10℃。

混凝土浇注应连续进行，当因故间隔时，其间隔时间应根据环境温度、水泥性能、水灰比和外加剂类型等条件通过试验确定。当允许时间己超过时，应按浇注中断处理，同时应留置施工缝，并作记录。施工缝的平面与结构的轴线相垂直，施工缝的处理应满足规范要求。

结论

浅谈多年冻土地区的路基施工 篇3

关键词：冻土；冰害；施工要点；养护

冻土是指温度为负温度或零温度并含有冰晶的一类土体。多年冻土按含冰量分类，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五类。多年冻土的工程力学极不稳定，容易受到水体、土体温度的影响，在此类地区进行路基施工，要特别加以注意，并采取一定的技术手段，以保证路基的稳定和公路的施工质量。

一、多年冻土地区的不良地质现象

多年冻土地区的不良地质对公路的建设会产生多种病害。由于多年冻土地区不仅气候严寒，而且还有多年冻土层作为底板使地表水的下渗和多年冻土层上水的活动受到约束，这是冻土地区不良地质现象发生和存在的基本条件。多年冻土地区的不良地质现象主要有冰丘、冰椎、地下冰和冻土沼泽等。

二、多年冻土的地区公路路基的主要病害

（一）融沉

融沉多发生在含冰量大的粘质土地段。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，由于地下冰层埋藏较浅，在施工及使用过程中，因原来的自然环境条件发生变化，使多年冻土局部融化，上覆土层在土体自重力及外力的作用下产生沉陷，造成路基变形。融沉主要表现在路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑，路堑边坡溜坍等。

融沉现象一般以较慢的速度下沉，但有时也会经过一段时间的慢速下沉，有时突发大量的沉陷，并使两侧部分地基土隆起。产生的原因是路基基底由于寒冰量大的粘质土融化后处于过饱和状态，几乎没有承载力，又因为路堤两侧融化深度不同，使得基底形成一个倾斜的冻结滑动面。在外荷载的作用下，过饱和的粘质土顺着冻结面挤出，路堤瞬间产生大幅度的沉陷，通常称为突陷，这样的突陷将严重危及行车安全。

（二）冻胀

冻胀多发生在季节冻结深度较大的地区以及多年冻土地区，其中以多年冻土地区较为严重。发生的原因是地基及填土中的水冻结时体积膨胀所致。水分的来源是地地表水或地下水对路基的侵湿。冻胀的程度与土质以及土中的含水量的高低有关。

（三）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，在隆冬季节随流随冻，形成积水掩埋路基或边坡挂冰、堑内积冰等病害。冰害在多年的严寒冻土地区尤为严重。对于路基工程来说，路堑地段较路堤地段冰害要多，尤其发生在浅层地下水发育的低填浅挖及零填挖地段的冰害，危害程度更大。

三、多年冻土地区路基施工的注意事项

（一）施工前核查

施工前应该核查沿线冻土的分布、冻土类型、冻土上下限、冰层上限、地面水、地下水以及有无其他不良地质地段，比如热融（湖、塘）、冰丘、冰椎等。

（二）遵循冻土保护原则

施工前必须严格遵循保护冻土的原则，使路基施工后仍然处于热学稳定状态。路基原则上均应采取路堤形式，尤其是在冰厚发育地段，并尽可能避免零填或浅挖断面，以避免造成严重热融沉陷冰害。弱融沉或不融的多年冻土地区，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，不导致多年冻土层上限的下降。

（三）填方路基施工

填方路基施工应符合下列要：

1.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的距离。高含冰量冻土集中地段，严禁坡脚滞水，路测积水，边坡应及时铺填草皮。

在少冰与多冰地段，应避免施工时破坏土基热流平衡。排水沟与坡脚距离不应少于2米，沼泽或湿地地段不应小于8米，饱冰冻土以及含水冰层地段，应避免修建排水沟和截水沟，最好修建挡水堰，距离坡脚不应小于6米，若修建排水沟，则不应小于10米。

2.基底处理

填方基底为含冰过多的细粒土，且当地下冰层不厚时，可以采取挖出原病害土的办法，并用渗水性较好的土体回填压实，再填路基。

当基底为排水较为困难的低洼沼泽地段时，其底部应设置毛细水隔离层，其厚度应在路堤沉落后至高出水面0.5米的，并在其上部铺设反滤层。泥沼地段路堤基底生长塔头草时，可以利用它作为隔温层。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。

3.路基高度

路基高度应达到预防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。

4.取土

施工时，宜设置集中取土场，富冰冻土、饱冰冻土以及含土冰层路段，如果需要就近就解决部分土源时，应在路基坡脚10米以外取土。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，谁能及时排除，同时取土坑的外路面应用草皮铺填。

5.填料

填料应选用保温隔水性能较好的细粒土。采用粘质土或透水性能不良的土体填筑路堤时，要控制图的湿度，碾压时含水量不能超过最佳含水量的2%。不得用冻土块或草皮层以及沼泽地含草根的湿土填筑路基。通过融湖或融塘路堤时，水下部分必须用渗水良好的土填筑，并应高出最高水位0.5米。

6.压实

压实检差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20吨的压路机或等效压实机械进行碾压2~3遍，无轮迹和软弹现象。

7.侧向保护

靠近基底部位有饱冰冻土层且有可能融化时，宜设置保温护道和护脚。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20米内植被和原生地貌应严加保护。

（四）挖方路基施工

挖方路基施工应符合下列要求：

1.排水

挖方路基地下水发育地段，路基边坡均已有防渗措施。路堑坡顶避免设置截水沟或排水沟，宜修挡水埝并与坡顶距离不小于6米，若必须修排水沟或截水沟，距挡水埝距离不小于4米。

2.加固

土质边坡加固铺砌厚度应满足保温层厚度要求。如用草皮铺砌，应水平叠砌，错缝嵌紧，，缝隙用粘土或草皮填堵严密，连成整体。草皮要及时铺填。饱冰冻土、含冰土层地段路堑，为防止开挖后基底冻胀翻浆，可根据需要换填足够厚度的渗水性土。

四、结束语

在公路建设过程中，只有处理好路基的加固处理，特别是冻土地区的路基处理，才能有效的确保公路的施工质量，从根本上延长公路的使用寿命，保证行车安全和交通运输的畅通。

参考文献：

[1]刘吉士，阎洪河.公路路基施工技术[M].北京：人民交通出版社，2004.

冻土地区路基养护方法探讨 篇4

多年冻土地区公路沿线自然条件恶劣, 加上路面以下土体的冻融循环、热状态以及路基稳定状态的影响、使得路基病害类型十分复杂, 而且覆盖面广, 突出的问题有:路基融沉变形、冻胀和翻浆、裂缝和冻融等破坏现象。从而影响公路的正常使用寿命和功能, 造成因为早期破坏而增加的人、财、物的重复投入和浪费。因此有必要针对这一特殊地区的公路养护和维修技术开展研究, 不断提高冻土地区公路运营服务质量和公路使用年限。

常见的路基养护措施有:边坡养护和排, 路肩养护, 水设施的养护等。

1 边坡的养护

边坡包括路堑边坡和路堤边坡, 在多年冻土地区, 路堤边坡较为多见。边坡的主要作用是保证路基稳定、行车安全及景观的舒适。边坡坡度对边坡的稳定十分重要, 多年冻土边坡植物防护功能差, 特别是某些土质不良地段, 确保路基边坡坡度为一个合理的角度是路基设计和养护的重要内容, 从而确保路基整体稳定。

边坡的养护和维修工作的重点是保持稳定性, 即边坡应经常保持平顺、坚实、无裂缝。对石质路堑边坡, 应经常注意边坡坡面岩石风化发展情况, 以及边坡上的危岩、浮石的发展情况, 若有问题应及时采取适当的措施处理, 如抹面、喷浆、锚固等;对土质边坡、碎石护坡、护坡道等, 应根据实际情况选用篱格填石、干砌或浆砌片石护坡、土工合成材料护坡等措施进行防护加固。

边坡如发生坍塌需要修整时, 不能在边坡上贴土修补, 而应在毁坏的地段上从下到上先挖成土台阶, 再分层填土夯实, 夯实后的宽度稍超出原来的坡面, 以便最后切出边坡。

2 路肩的养护

路肩是位于行车道外缘至路基边缘的地带, 由外侧路缘带、硬路肩和保护性土路肩组成。其主要功能:一是保护路面;二是停置临时发生故障、事故的车辆;三是提供侧向余宽, 显示行车道外侧边缘, 引导视线, 增加行车的安全舒适性;四是增加挖方弯道段的行车视距。路肩松软多是因为水的作用, 所以路肩的养护与维修的重点就是减少或消除水对路肩的危害。路面范围的地表水通过路肩排出, 因此必须经常保持路肩表面平整、坚实, 横坡顺适, 边缘顺直。特别是对于设置反压护道、碎石护坡段的路肩, 更应经常进行养护。如公路的路缘石有损坏, 应及时进行修补。

对于因路肩湿软, 而经常发生啃边病害的路段, 可在路肩内缘铺设排水盲沟, 以及时排除由路肩下渗的积水。

3排水设施的养护

在多年冻土地区修建公路, 排水十分重要, 除纵向排水外, 还应保证横向排水, 以防止水流带来的大量热量迫使路基下多年冻土退化。路基周围的水即使很少量流人也会引起多年冻土的大量融化, 因为水的比热高, 即使较冷的水也有相当大的融化能力。路基排水的主要作用是将路基范围内的土基湿度降低到一定限度以内, 保持路基常年处于干燥状态, 确保路面具有足够的强度和稳定性。对于多年冻土地区, 多数地区降雨量较小, 路基排水的重要性还是不可忽视, 特别是有些山岭地段保持完好的排水设施非常必要, 也应及时养护、疏通, 对排水设施进行经常性的、预防性的养护和维修, 确保其功能完好、排水顺畅。

多年冻土区路基排水设施养护需注意以下要点:

(1) 多年冻土地区地面水无法下渗, 容易形成地表潮湿或积水, 宜将积水引向路基以外排出, 避免危害路基。

(2) 疏通边沟、排水沟, 但要防止破坏冻层。

不宜在路堤坡脚或路堑坡顶20m以内采掘, 防止破坏冰土, 影响路基稳定。

(3) 治理冰冻方法

(1) 将路基上的泉水、夹层、透水层的渗水, 从保温暗沟导流出路外。如含水层尚有不冻结的下层含水层, 可将上层水导人下层含水层中排除。

(2) 提高溪旁路基的高度, 使其高于涎流冰面50cm以上。因受地形或纵坡限制, 不能提高路基时, 可在临水一侧路外缘点, 或在路侧溪流初结冰后, 从中凿出一道沟, 用树枝或杂草覆盖加铺土或雪保温, 使水流沿水沟流动, 避免溢流上路。

(3) 在多年冻土地区, 可在公路上侧远处开挖与路线相平行的深沟, 以截断活动层泉水。在冬季使涎流冰聚集在公路较远处, 保障公路不受涎流冰的影响。

4 结论

(1) 路肩松软多是因为水的作用, 因此必须经常保持路肩表面平整、坚实, 横坡顺适, 边缘顺直, 特別是对于设置反压护道、碎石护坡段的路肩, 更应经常进行养护, 以利于路面范围地表水通过路肩排出。

(2) 边坡的养护和维修工作的重点是保持稳定性, 对石质路堑边坡, 应经常注意边坡坡面岩石风化发展情况, 以及边坡上的危岩、浮石的发展情况, 若有问题应及时采取适当的措施处理, 边坡如发生坍塌需要修整时, 不能在边坡上贴土修补, 而应在毁坏的地段上从下到上先挖成土台阶, 再分层填土夯实, 夯实后的宽度稍超出原来的坡面, 以便最后切出边坡。

930多年冻土地区修建公路排水十分重要, 除纵向排水外, 还应保证横向排水, 以防止水流带来的大量热量迫使路基下多年冻土退化。除了及时养护、疏通外, 还应对排水设施进行经常性的、预防性的养护和维修。

多年冻土区环境恶劣, 路基病害十分复杂, 有必要建立公路养护管理信息系统, 以方便对公路进行合理及时的养护和维修。

摘要：路基是公路的基本组成部分之一, 是路面的基础。它与路面共同承担车辆荷载, 并把车辆荷载通过其本身传到地基。路基的强度和稳定性是保证路面强度和稳定性的基本条件, 它直接影响路面的平整度。本文分析了多年冻土区公路路基常见的病害形态, 针对多年冻土区公路路基与温度密切相关的特点, 从路肩、边坡以及排水设施等三个方面分别阐述了其养护的关键措施。针对多年冻土区公路路基养护难度大的问题, 提出了在多年冻土地区建立公路养护管理信息系统, 以便于对其进行合理及时的养护维修。

冻土地区 篇5

在气候变暖背景下,多年冻土退化加剧,高温冻土将会在更大范围出现,保护冻土原则的适用性将受到经济、技术、环保合理性的挑战.在条件适宜高温冻土区,根据建筑结构和基础类型,采用预先融化技术(简称预融技术)处理冻土地基可在经济合理的前提下,保证工程的.安全可靠性和长期稳定性.回顾了国内外冻土区预先融化技术的经验,总结和展望了预融技术在工程设计、施工及运行中的三个基本步骤,包括施工前多年冻土的融化、已融土的密实和固结,工程运行期间保持融化和防止冻胀措施的实施.预融技术主要利用蒸汽,热、冷水的对流换热和电流热效应,以及改变地表热状况来融化下伏多年冻土.保持融化的方法主要包括改变地表反射率和地基土的结构,融土保温以及利用主动和被动升温传热装置等(如热管技术).结合中国东北的一些预融技术运用实例,如漠河机场工程等,简要评述了预融技术的应用效果.

作 者：郝加前 吉延峻 何乃武 魏智 杨思忠 何瑞霞 金会军 HAO Jia-qian JI Yan-jun HE Nai-wu WEI Zhi YANG Si-zhong HE Rui-xia JIN Hui-jun  作者单位：郝加前,HAO Jia-qian(大庆油田工程有限公司,黑龙江,大庆,163712)

吉延峻,魏智,杨思忠,何瑞霞,金会军,JI Yan-jun,WEI Zhi,YANG Si-zhong,HE Rui-xia,JIN Hui-jun(中国科学院,寒区旱区环境与工程研究所,冻土工程国家重点实验室,甘肃,兰州,730000)

南极冻土幽魂复苏 篇6

致命病毒威胁人类？

两年前，一组科学考察队在南极大陆的永久冻土带地底发现了一种目前科学界前所未知的神秘病毒。让科学家震惊的是，目前地球上还没有任何人或动物对这种病毒具有免疫性。惟一可庆幸的是，南极毕竟离我们很遥远，该病毒又是在永久冻土带的地底发现，暂时还不会对地球其他地方的人类形成威胁。然而，美国科学家日前警告，尽管现在这种病毒尚被锁在南极冻土这个魔瓶里，但如果全球气候持续变暖，到一定时期这种未知病毒将会立刻复苏并四处散播，那时地球上成千上万的物种，可能就要面临“灭顶之灾”。

地球温室效应导致南极冰川融化，以前人们担心的仅仅是海平面会上升，淹没许多陆地，但美国海洋和气候学家的研究表明：根本不需要等到海平面上升淹没城市，冰川融化释放出的致命病毒已先夺去了数百万人的生命。美国纽约大学的汤姆·斯塔穆鲁教授认为：“随着全球气候变暖，尽管还不能确定有多少病毒会重返现代社会，也不能确定它们中有多少会威胁人类的生存环境和健康，但可以确定的是这一切将会发生。”

科学家对南极发现的神秘病毒相当重视，一支由美国病毒专家组成的特别科考队特地前往南极，专门对含有这种病毒的冰块进行研究，以图能尽快研究出抵抗这种神秘病毒的疫苗。

引发灾难的史前细菌？

在寻找神秘病毒疫苗的同时，科学家不禁怀疑，在只有企鹅才能生存的南极洲上，这种奇怪病毒到底是从哪儿来的？对此科学界众说纷纭。

一种理论是，这种病毒可能是一种史前细菌，是地球几万年甚至几十万年前的产物，它曾经肆虐地球，并灭绝过史前生物。多少万年以前，地球上温暖的季风将热带和温带海水送往南极冰带，无数矿物、浮游生物及各种动物尸体随海水来到了南极，全被深深冻结在南极渺无边际的冰川里。同时，依附于这些动物尸体身上的一些致命病毒也被冻结在南极冰层中。由于气温极低，它们已处于休眠状态，可让人惊讶的是，尽管历经了数十万年之久，这些病毒仍然保持着一种顽强的生命力。

来自“欧罗巴”的天外来客？

还有一部分科学家则将南极病毒与天外来客联系起来，他们怀疑南极病毒很可能来自于一些外星球陨星或小行星。从“伽利略”号太空望远镜于１９９７年发回地球的木星１６颗卫星之一——“欧罗巴”的照片上，美国科学家发现在“欧罗巴”上存在着一个液体海洋。美国国家科学基金会在不久前的一份报告中写道：“南极洲坚冰下的地下湖与欧罗巴冰层下的海洋极为类似。”华盛顿大学海洋学家约翰·迪拉尼则确信在木星卫星“欧罗巴”地底海洋里存在着生命。他们都认为，南极洲的神秘病毒很可能就是来自太空，尤其可能来自木星卫星“欧罗巴”。

纳粹遗留的生化武器？

另一些专家认为，这种病毒根本不是史前产物，而是纳粹德国运往南极基地的生化武器。这种说法并非捕风捉影，在１９３８年以后，纳粹德国突然对南极洲大感兴趣，先后组织两支科考队飞往南极，拍摄大量南极冰带的照片，并将数千枚印有纳粹标记的金属旗帜分散投掷在南极大陆上。１９４３年，德国海军上将卡尔·邓尼茨公开称：“德国潜艇已在另外一个神秘世界建立了一个攻不破的堡垒。”一些俄罗斯专家认为，这很可能意味着从１９３８年开始，纳粹已在南极洲秘密建立了一个地下军事基地。

据美英情报机构的档案记载，二战末期，在德国基尔港口经常有潜水艇卸掉船上的鱼雷装置，换装上各种货物集装箱，一些身份不明的乘客用纱布蒙着脸走进这些潜水艇。其中一艘潜水艇代号Ｕ－５３０，它于１９４５年４月１３日离开基尔港前往南极洲。到达后，船上１６名成员在南极洲永久冻土带挖了一个冰窟窿，将他们随船带去的箱子埋进这些洞穴里。

３个月后，这艘潜艇驶入阿根廷的马德·巴拉它港，向盟军投降。据该艇艇长威廉·伯纳德说，他们此去南极，另一艘代号为Ｕ－９７７的纳粹潜艇据称还带了希特勒和其情妇爱娃的遗物。１９４５年８月１７日，该艇艇长海恩斯·斯切弗带着全体船员在阿根廷马德·巴拉它港向盟军投降。在面对美英情报机构的审讯时，这两艘潜艇的艇长都坚称自己带往南极的只是一些第三帝国的文件和遗物。美英情报官员显然不信这番话。果然，１９８３年６月１日，美国情报机构截获了海恩斯·斯切弗艇长写给威廉·伯纳德艇长的一封密信：“亲爱的威廉，听说你要出版一本有关Ｕ－５３０潜艇的回忆录，当时我们有３艘潜艇参加了那次南极行动，如今它们都沉在大西洋底了，难道让它们永远沉没在那里不是更好吗？我的老朋友，好好想一想！我们曾经发誓要保守秘密，我们没有做错什么，我们只是为了德国而服从命令。请再想一想，当你揭露那个秘密以后，会引起什么样的后果？请好好想想。”

岛状冻土地区路基病害研究 篇7

关键词：路基病害,温度场,数值模拟

1 工程概况

京通线东大坝至庙宫间K288+770～K289+760段路基是半堤半堑路基,左侧为路堤,右侧为路堑。右侧山体高约100 m左右,山体岩性为凝灰岩、页岩,表层覆盖1.0 m～1.5 m坡积物,植被良好。左侧路堤坡长最长为46 m,最大填土高度为14.5 m。该段路基自1980年投入运营以来,此高路堤地段呈现明显的初期沉落[1]。每逢雨季路基便发生变形破坏,水害成灾。后经过有关部门及单位对该处路基进行了多次加固,但路基下沉和挡墙剪裂问题仍然没有得到根治,危及行车安全的隐患仍然存在[2]。

2 计算模型及计算参数

采用基于WindowsXP控制平台的ANSYS大型有限元计算程序,对该开挖方案建立进行计算求解。

2.1 计算模型

通过建立路基温度场的有限元模型,选取适当的边界条件、初始条件及热计算参数,计算了京通线Ⅰ—Ⅰ路基断面热平衡基本稳定时其温度分布,确定冻土上限。计算模型如图1所示。

2.2 计算参数

冻土在冻、融状态下的比热容和导热系数分别由以下公式计算得到:

其中,符号f,u分别为冻、融状态;Cf,λf分别为Ωf内冻土的比热和导热系数,带“u”者为Ωu内的相应物理量;W为含水量;Wu为未冻水含量;θs,θw,θi分别为冻土中土颗粒、水和冰的体积含量;θu为冻土中未冻水体积含量[3];γ为冻土的容重;γi为冰的容重。

土的相变潜热的计算方法为:

Q=Lρd(W-Wu) (7)

其中,L为水的相变潜热,334.56 kJ/kg;ρd为土的干密度,kg/m3。由式(7)计算热学参数(如表1所示)。

3 计算结果

通过建立路基温度场的有限元模型,选取适当的边界条件、初始条件及热计算参数,计算了京通线Ⅰ—Ⅰ路基断面热平衡基本稳定时其温度分布,确定冻土上限(见图2)。

3.1 安全系数

采用罗厄法(改进的瑞典法),用单纯形法搜索非圆弧滑裂面,其中最小滑裂面的安全系数及其上的控制点坐标如表2所示。

3.2 加固前各种安全系数下的潜在滑裂面(见图3～图7)

3.3 加固后各种安全系数下的滑裂面(见图8～图12)

加固后的安全系数及其上的坐标点见表3。

3.4计算结果分析

由STAB95分析计算可知:在Ⅰ—Ⅰ路基断面处,加固前最小安全系数Fmin=0.941,加固后最小安全系数Fmin=1.522,满足稳定要求。

4结语

京通线K288+500～K289+950段路基冻胀、融沉的主要原因是路基位置处于地下水出口处,路基填料渗水性差,路基沉降过大破坏了冻土保护层,使冻土路基长期无法形成热力平衡。施工处地表的植被被破坏,也是造成路基病害的一个不可忽视的原因。冻土路基整治方案主要通过增加路基热阻,提高路基散热,提高路基自身稳定性、加强路基防排水能力等方法实现。增加路基热阻可以通过设置隔热材料或提高路基填土路基高度实现。具体如何设计应综合考虑各种因素,达到经济、安全的目标。运用数值模拟的方法分析京通铁路冻土区典型路基断面的稳定性满足要求。

参考文献

[1]周幼吾,郭东信,邱国庆.中国冻土[M].北京:科学出版社,2000.

[2]郭东信.中国的冻土[M].兰州:甘肃教育出版社,1990.

浅析冻土地区路基施工原则与措施 篇8

1 多年冻土的成因

冻结状态持续2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, 但最后都可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℃以下时, 土中水就会冻结, 形成冻土。如果该处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的吸热量小于散热量, 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—大气圈系统热质交换过程中形成的。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。深部地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。

2 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:

(1) 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) 。

(2) 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) 。

(3) 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。

3 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。

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4 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 (塘) 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。

3.5 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。

多年冻土在我省分布广, 但所占纬度较高, 因而实际施工中遇到不是很多, 还有许多方法值得我们研究, 但无论遇到什么情况的多年冻土, 我们都要严格按照施工程序进行, 搞好对冻土本身物理特性的分析, 进而制订施工方案, 并且要遵循前文所提到的几个原则, 重点抓住保温、排水、回填、基底处理等几个环节, 从而尽可能减少多年冻土对路基稳定的影响, 搞好我们今后的各项施工。

冻土地区某变电站接地方案研究 篇9

冻土对接地电阻有很大影响。随着温度降低, 土壤中盐等化学物质溶解度将下降, 使导电离子数目减少, 同时水的粘度将增大, 导致溶液中导电离子运动阻力增大, 运动速度减缓, 土壤电阻率升高。反之温度升高, 土壤中水分解冻, 使得电离子数目增加, 水的粘度降低, 土壤电阻率降低[1]。

冻土土壤电阻率的跳变, 对接地电阻影响很大。若将接地网直接敷设在冻土层, 一是电阻率跳变会影响接地电阻;二是在夏季表层土壤部分融化, 而下部土壤未融化, 此时接地电阻仍较大, 而接触电压和跨步电压的允许值会下降, 影响运行人员安全[2]。本文推荐将地网敷设在冻土层以下。

2 计算参数输入

2.1 土壤地质情况

本站地域冻土深度为1.6m, 下层电阻率约为80Ω·m, 考虑季节系数及场地土方平整的影响, 冬季最严重情况冻土土壤电阻率取400Ω·m。

2.2 入地短路电流

本站220k V母线短路时, 三相短23k A, 单相短24.7k A;66k V母短路时, 三相短17.8k A, 计算可得:

式中, Ig为入地短路电流, k A;kel为避雷线分流系数, 取50%;Ibn为主变中性点入地电流, 根据变电站接线形式计算取2.7k A;Imax为最大短路电流, 取24.7k A。

2.3 接地体截面选择

本站地下水及场地土对钢材有微腐蚀性。结合腐蚀特性, 本站选用镀锌扁钢作接地材料。

根据《交流电气装置的接地设计规范》 (GB/T 50065—2011) , 求得接地导体最小截面:

式中, sg为导体最小截面积, mm2;Ig为入地短路电流, 取11k A;C为短路等效持续时间, 取0.5s;te为接地材料的热稳定系数, 取70。

考虑40a设计寿命, 及腐蚀影响, 求得接地导体截面为:

式中, a为接地扁钢宽度, 取60mm;b为接地扁钢厚度, 取6mm;γ为年腐蚀速度, 取0.065mm/a;A为地网设计寿命, 取40a。

接地导体选用60mm×6mm扁钢满足要求, 接地引下线按不小于接地导体截面的75%选取, 选60mm×8mm扁钢。

3 地网设计及安全性分析

3.1 等间距地网设计方案

3.1.1 地网设计方案

采用软件CDEGS进行建模, 主地网埋深1.8m, 采用100m×80m矩形地网, 网孔大小10m×10m等间距布置。经仿真计算, 接地电阻为0.45Ω, 最大接触电压为1332V, 最大跨步电压为219V。

3.1.2 地网安全性分析

根据《交流电气装置的接地设计规范》 (GB/T 50065—2011) , 接触电压和跨步电压允许值计算公式如下:

式中, ρs为土壤电阻率;Cs为表层衰减系数;Ut为接触电势允许值;Us为跨步电势允许值;ts为短路持续时间。

经计算, 若不采取绝缘处理措施, 接触电压允许值为342V, 跨步电压允许值为642V, 接触电压不满足运行要求。

若设置绝缘地坪处理, 采用150mm厚度碎石+沥青绝缘地坪, 电阻率为5000Ω·m, 此时接触电压允许值为1193V, 仍不满足安全运行要求。

3.2 不等间距地网+均压带设计方案

3.2.1 地网设计方案

将等间距设计改为按最优压缩比0.7设计, 外围敷设埋深2.0m深度的均压带, 其他设计参数均不变, 经仿真计算, 其接地电阻为0.42Ω, 接触电压和跨步电压分布见图1和图2。

3.2.2 地网安全性分析

经仿真计算, 做绝缘地面处理后, 接触电压和跨步电压最大值分别为922V和186V, 小于对应允许值1193V和642V, 满足安全运行要求。

另外, 地下接地体在极低温状态收缩变短, 土体冻胀冻结具有较高的嵌固效果, 容易使接地带连接部位受拉断裂;建议地下接地体在适当部位设伸缩节, 伸缩节最大间距不宜大于30m。

4 结论

经CDEGS软件仿真计算, 本站采用等间距地网无法满足安全运行要求。采取不等间距+均压带方案, 地网接地电阻降为0.42Ω, 做绝缘地坪处理后, 接触电压和跨步电压分别为922V和186V, 小于对应允许值1193V和642V, 满足安全运行要求。

为解决土体及接地体热胀冷缩影响接地体的寿命, 建议地下接地体设置伸缩节, 伸缩节最大间距不大于30m。

摘要：对冻土地区某变电站接地网设计了等间距地网和不等间距地网+均压带2种方案, 经仿真计算, 不等间距地网+均压带方案能满足安全运行要求。为解决土体及接地体热胀冷缩影响接地体的寿命, 建议地下接地体设置伸缩节, 伸缩节最大间距不大于30m。

关键词：冻土,变电站接地,不等间距地网

参考文献

[1]陈慈萱, 刘旭, 青藏线冻土地区接地问题探讨[J].铁道通信信号, 2006, 42 (8) :6-8.

冻土地区 篇10

1 路段实地调查

1.1 路面状况调查

在对常年冻土地区公路的实际考察中, 我们发现某段路面的变形损坏程度十分明显, 这与路面的热平衡有密切的关系。经过比对, 我们看到路基表面有沉陷、隆起等现象, 柔性面较刚性面损坏更为严重, 这表明冻融在很大程度上影响柔性路面。

1.2 钻芯取样

在现场, 我们一共钻取了24个芯样, 其中刚性路面占了4个。研究发现, 多数的刚性路基都没有形成板体性, 这主要是由于当地的气候条件使得刚性基层产生较大的干缩和温缩。

1.3 弯沉状况

使用贝克曼梁法来测量公路的弯沉情况, 并采用符合国家标准的汽车对路面进行测量。研究发现, 路面的中段比两侧的弯沉情况更为严重, 同时, 阳坡的弯沉深度要大于阴坡。这表明弯沉主要是受车辆的荷载所影响。

2 路基变形的研究

为了控制常年冻土地区路面的变形情况, 我们可以对冻融情况进行研究和分析, 主要从冻融过程、冻融特性、冻融的发展规律等几个方面着手。研究表明, 由于受到热平衡状态的影响, 冻土地区的路基损坏变形情况十分严重, 针对冻土地区公路的工程施工特点, 具体可以从以下几个方面进行分析。

2.1 冻土的融沉特性

在自重压密的作用下, 冻土地区的路基面不断向外排水并出现固结下沉的现象, 这个过程就是冻土的融沉性。冻土的融沉性是导致冻土地区常年路基变形的重要因素之一, 也是冻土公路工程中最为突出的特点。根据多年来对冻土地区的路面研究发现, 不管什么样的土质, 在自由排水充足的情况下, 冻土的融沉系数与冻土的含水量成正比;如果含水状况相同, 那么融沉性最小的是粗粒土, 融沉性最强的是粉质黏土。

在附加荷载和压密的共同影响下, 溶化后的冻土面积因空隙水排出而产生压缩效果, 在水消散之前, 冻土下层的夹层土体下沉速度会十分缓慢, 而整个冻土地面路基的下沉速度也会十分缓慢。

2.2 季节融化层的冻胀性

冻土在季节交替过程中发生冻结膨胀现象, 被称之为土体的冻胀性。这一现象主要取决于土体的含水成分、颗粒成分、矿物成分和冻结条件。通常来说, 土体的冻胀性与土体水量的上升情况成正比, 与温度成反比, 即温度越低, 冻胀性越大。由于土体结构的疏密程度不一, 因此冻胀性的程度也不相同, 土体中层的冻胀性最强, 下层最弱。我们称2/3以上的冻结程度的为强冻胀带。

土体的冻胀性与土体的密度也有关系, 土体密度越大, 冻结的程度也越大, 但是当土体的密度达到1.68~1.8 g/cm时, 密度越大, 冻胀的程度就越小。土体的冻胀性与附加的荷载成反比, 会随着附加荷载的增加而减少。

2.3 路基冻融过程

由于受到冻胀、水份迁移、融沉等多种因素的影响, 冻土地区的冻融时间会不停地发生改变, 这些物理力学不断作用于冻土路面上, 使得路基的性能越来越低。常年冻土的道路根据变化可分为稳定冻结期、稳定融化期、不稳定冻结期和不稳定融化期。

路基从造型上看属于线形构筑物, 所以按照平面的非稳态相变温度场的有关方程式对其进行分析, 计算结果显示, 温度场的分布会随着年限和时间的变化而发生改变, 且是由水量在不同层次的路基土体中分布不均而造成的。青藏公路某段常年冻土地区公路施工多年后的每月冻融分布线的直观图如图1所示。从图1中可以看出, 冻土路基温度场的分布是不对称的。

3 路基变形的控制对策

要控制常年冻土地区公路的路基变形, 需要对其进行实地考察, 对路面的修筑技术进行探索, 分析控制路基变形的难点所在, 同时还要研究常年冻土地区的路面材料和路基情况, 掌握好常年冻土地区在地理因素、气候条件的作用下, 各土体层次的结构和路面材料的特性。要利用科学的技术指导, 分析常年冻土地区在特殊环境下产生的数据, 为控制常年冻土地区路基变形提供理论依据。常年冻土地区的公路修筑技术一直是研究和控制路基解冻机理的重要方法。我们要在现有修筑技术的基础上, 加入新的科学技术和方法来控制我国常年冻土地区路基的变形情况, 保证我国常年冻土地区的公路安全建设。

摘要：由于常年冻土, 我国高原地区路基的热平衡状态失调, 路基变形情况十分严重。根据冻土地区的施工特点, 从其冻胀性、融沉性和冻融过程出发, 对常年冻土地区的路基情况进行实地分析和考察, 并研究出相应的控制对策。

关键词：冻土,路基,冻胀性,热平衡

参考文献

解密高原冻土 篇11

高原的天气非常捉弄人，一会儿是冰雹，一会儿是阳光，一会儿是雨雪，短短一天，你可经历地球上所有的气象。唯一不变的是寒冷。虽然已是5月中旬，空气却如刀割般，一会儿便在裸露的脸颊上划出道道冰冷的伤痕来。

还没到冠名为“青藏高原综合观测研究站”的冰土工程国家重点研究室青藏高原研究基地，雪就把路面下花了。刹车在这座筑在海拔高达4737米的小房子前的空地上将一小块还没来得及抽青的草皮翻卷了上来，闻声后，刘永智的藏狗及时而守职地朝我们狂吠起来。刘永智用带着兰州口音的普通话严厉地呵斥了一声。藏狗马上听话地收起了它的鲁莽。

刘永智是中国冻土研究首席科学家之一。自从1974年大学毕业后，就再也没有离开过可可西里。

在这个寂静的科研基地，刘永智和他的几位同事共同守望着这片地球上中低纬度面积最大、海拔最高、温度最低的多年冻土区和山地冰川分布区。这个观测研究站是我国在多年冻土区唯一的也是高原地区唯一的综合性观测研究站。

刘永智面肤黝黑，长年在高原上工作，步子已经有些踉跄了。因为刚刚去了外地回来，来不及适应高原反应的他还有些气喘。

近处是刘永智温驯下来的藏狗的喘息和招待我们的缭绕的浓香咖啡，远处是沿地平线起伏的青藏铁路。我们的话题就从铁路和冻土开始。

冻在土中的高科技

根据资料显示，全世界在多年冻土区修建铁路已有百年以上历史，但已建成的多年冻土区铁路病害率很高。有百年历史的俄罗斯第一条西伯利亚铁路，由于对冻土的认识不清，缺乏工程经验，采取的措施单一，已经出现了大范围的融化下沉和冻胀隆起等病害，1996年调查的线路病害率达45%。俄罗斯西伯利亚的冻土铁路虽然比我们的青藏铁路长，有三四千公里，但其海拔只有两三千米。冻土虽然在加拿大、美国等国家也存在，但它们属高纬度冻土，比较稳定且列车时速并不高。

鉴于这样的背景，在青藏铁路格拉段2001年开始建设时，各种质疑的声音就没有间断过，其中以“无法解决多年冻土的问题”为最。即使是2006年青藏铁路全线铺通之后，国内仍有专家公开指出，青藏高原冻土正在退融，青藏铁路必经之地冻土层几十年来持续退化，刚刚建成铺通的青藏铁路在一段时间之后将会有安全之虞。刘永智和他的同事们就是在这样紧张而高压的氛围中，经过各种各样的实验和尝试，首创了“片石气冷路基、热棒路基、通风管路基等冻土保护措施”和“主动降温，冷却路基”为核心的积极保护冻土思路。这条已建成并成功运营5年的青藏铁路目前已成了世界上穿越多年连续冻土里程最长（550公里）、拥有世界最高冻土隧道风火山隧道（海拔4905米）、世界上最长高原冻土隧道昆仑山隧道（全长1686米）、在世界高原冻土铁路上的最高时速——100公里的高原铁路……而其间每一厘米的天路都饱含着刘永智和他同事们的艰辛，也富含令人叹服和惊咋的高科技。

“通过主动降温，减少传入地基土层的热量，保证多年冻土层的热稳定。冻土退融得越少，地表变形越不明显，上面的铁轨就越安全。”刘永智力求用简单的语言给我们扫盲。他还告诉我们，在青藏铁路线上经常看到的那种类似雷达测速的铁棒子，是他们众多冻土降温措施中的一种，学名叫热管，也就是当地人通常俗称的“散热棒”。这种用来稳定冻土路基的散热装置是从俄罗斯引入的一种高科技，其原理与冰箱雷同：将热管插入路基两侧的地基土中就可以有效地将空气中的冷量传递到土中，且将土中的热量散发出去，从而有效地控制了热量向下传递，保持地基土处于冻结状态，达到路基稳定的目的。从西大滩到安多的铁路段沿线，路基两旁都插有这种像栅栏一样的散热棒，就是这18200根热棒，让青藏铁路跨越了546公里的多年冻土区。

除了热管，青藏铁路还使用了其他一些方法来稳定冻土的路基：通风管路基，顾名思议就是通过在路基上加设通风管道达到空气循环和保温的目的；片石冷路基，既可降温又可以防止铁路路肩的流失和防止雨水对路基的冲刷；片石护坡路基，作用同上；空心管路基；保温材料路基，通过在路基底下埋设挤缩板等达到稳定路基的作用。

昂贵的生态保护费

在监测站外不远处的高原公路实验段，我们见到了刘智永刚才介绍的各种路基段。5月中旬的天气，可可西里正在大面积地“泛浆”。“泛浆”是当地人的说法，指的是冻土解冻变软，土中所含的水开始起威力了。不用说，这对铁路来说会意味着什么。

“这段长达550公里的冻土层因全球变暖的影响已比几十年前变薄了10到40厘米。如今冻土层仍在持续退融，而冻土层融化受威胁最大的就是冻土层上面的青藏铁路。冻土层融沉导致的地表变形将使铁轨失去平顺性，影响列车行驶。”

如果仅仅是面对一年一融的冻土那还好说，现在，我们面对的是全球性难题——全球变暖——而在全球变暖的大环境下，草原退化和冻土退融几乎是同步成正比在进行的。草原植被好，冻土层的隔热效果在自然就好。刘永智发现，从他来这儿工作到现在的几十年间，草场已经退化了不少，高原植被也遭到了很大的破坏，而高原植被破坏得越多，冻土退融速率也就会变得越快。2009年国家立项投资300万元在监测站不远处建立的这个实验基地就是为了应对各种气候和地质变化的极限。面对全球气候变暖这个人人谈虎色变的灾难趋势，刚刚建成的青藏铁路也必须采取各种应对措施。“一旦冻土层持续退融变得极不稳定的话，‘以桥代路’可能是目前最好解决的方法。”刘永智说。

青藏铁路线上最长的“以桥代路”工程就是全长11.7公里的清水河大桥，也是世界上建在高原冻土地段上的最长铁路桥。“以桥代路”不仅是为解决高原冻土地带路基稳定的问题，各桥墩间的1300多个桥孔也可供藏羚羊等野生动物自由迁徙。每一公里以桥代路的工程费用要5000万元。

“以前铁路修到哪里，植被就破坏到哪里”。而全长1142公里的青藏铁路是世界上海拔最高的铁路，修建在珍稀物种丰富、生态环境脆弱的青藏高原之上，一旦破坏环境很难恢复。

50年前修建的青藏公路限于当时条件艰苦，修建时一般都是就地取材，一些当年取土挖砂的小土坑至今没有长出绿草。50年后，青藏铁路在自然保护区内遵循“能避绕就避绕”的原则，施工场地、便道、砂石料场的选址都经反复踏勘确定，尽量避免破坏植被。为了恢复铁路用地上的植被，高原冻土区植被恢复与再造采用先进技术，使植物试种成活率达70％以上。在铁路修建管护和过程中，施工人员在取土前就把表层的植被和表土铲除后集中堆放、养护，取完了以后回铺。据说仅修建时沿线草皮移植的花费就高达2亿多元，回铺的草皮达数千万平方米。

回到青藏高原综合观测研究站，雪中的高原风依然很大。虽然这对靠风力供电的监测站来说是件好事，但却侵害着年事已高的刘永智的身体。头发花白的刘永智嘴唇有些发乌，他说这是因为刚“进山”不久的缘故。“多喝咖啡，咖啡能够抗高原反应。”刘永智将自己发明的土办法告诉我们，同时，也有些黯然地说：“老了，适应能力再也不能与年轻那会儿相比了。

“年一过我就要退休离开这里了，说不上是庆幸还是留恋。但只要青藏铁路还在运营，这里的工作就永远不能放松。”我们听得出，是留恋多于庆幸，毕竟，恶劣的自然适应起来容易，要戒掉专业领域的痴情与迷恋难。

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风火山隧道

多年冻土地区桥梁桩基础施工技术 篇12

多年冻土地区铁路桥梁工程往往由于地基的冻融作用, 不良冻土地区现象 (如冻胀丘、冰椎、热融坍塌等) 的影响, 会产生各种工程病害, 从而影响工程使用。本文结合青海柴木铁路的施工实践, 参照青藏铁路多年冻土地区的施工经验, 对多年冻土地区桥梁桩基施工工艺和质量保证措施进行探讨。

柴木铁路经由地区的地理、地貌、气候、建设环境等不同于内地铁路, 高原缺氧、多年冻土、高烈度地震、高光照、常年大风、冻融变化频繁、环保要求高等是该线的主要特征。桥梁基础一般情况下采用钻孔灌注桩, 这在技术上更有把握, 且造价较低。但桩基础可能会受到切向冻胀力, 在工程设计中采取了将基础嵌入多年冻土天然上限以下或最大冻结深度以下一定深度的措施, 以减小法向冻胀力的影响。

1 多年冻土地区桩基础施工技术

(1) 钻机选择。

参考青藏铁路的施工经验, 以满足快速施工为原则, 柴木铁路在桩基施工时大多采用旋挖钻机成孔。

(2) 施工准备。

钻孔场地布置尽量以填代挖, 以减少对原地表开挖引起的热扰动。钻机底座下发动机散热部分宜铺设聚苯乙烯泡沫塑料隔热板, 以减少对地基土的热侵入。

(3) 埋设护筒。

在多年冻土地区施工, 钢护筒除了保护孔口使钻孔作业正常进行之外, 还是降低冻土对桩基础抗拔力的载体。具体做法是, 将护筒埋入冻土上限以下一定深度, 并按设计要求在外表面涂以渣油, 成桩后不拆除护筒, 以减少外表面的亲水程度, 减小冻土对桩基础的上拔力。护筒宜采用5~6 mm厚的钢板卷制, 内径比桩径大15~20 cm;护筒埋至冻土上限以下≥0.5 m。由于护筒外表面要涂渣油, 其埋设与常规方法有所不同。当地表土稳定性较好, 施工过程没有地表水时, 在钻机就位后, 先用比护筒直径大一级别的螺旋钻头施钻, 钻至冻土上限以下>0.5 m深度后停钻, 安放护筒。安放前, 护筒外侧预先满涂渣油。护筒准确就位后, 护筒外侧与孔壁所形成的空隙用渣油拌制的粗粒土回填密实。桩基施工完成后护筒不取出, 靠其外侧所涂渣油来减少冻胀力对桩基产生的不良影响。在地质条件较差或地表水较大、易塌孔的情况下, 可以先做一个更大的护筒 (比桩径大50~60 cm) , 采用≥8 mm的钢板卷制, 用震动打桩锤打桩沉入, 该护筒起保护孔口稳定的作用。必要时钢护筒不断跟进, 以保证钻孔成型。待钻孔完成后, 再插入外表面涂渣油的防冻胀内护筒。

(4) 旋挖钻机干法钻孔。

护筒埋设完成后进行正式钻进。钻进过程中, 根据地质情况选用不同的钻头, 一般黏土、砂性土选用筒式钻头, 碎砾石用平底钻头, 岩性地层用尖底钻头。开始钻进冻土层时, 应保证钻杆垂直, 加大钻杆对土层压力, 缓慢进尺, 采用高转速、小跟进量、均压钻进。在含水量较大的软塑性土层钻进时, 要减缓进尺速度, 减少钻杆晃动, 以免扩大孔径。当出现钻杆跳动、钻机摇晃、钻不进尺等异常情况时, 立即停机提钻检查, 待查明原因并妥善处理后再钻。当进尺深度达到设计标高时, 在原处正向空转数圈, 然后停止提升钻杆。空转时不得加深钻进, 提钻时不得回转钻杆, 钻杆提升超过地表后用钢板覆盖桩孔。

(5) 湿法作业。

在黏性土、砂类土、碎石类处于地下水位以下, 干法作业不能保证孔壁稳定时, 采用湿法作业。其工艺与内地的湿法作业基本相同。

(6) 灌注桩身混凝土。

桩基成孔后, 应尽快安放钢筋笼, 及时灌注混凝土, 间歇时间不能过长。若来不及灌注, 要用钢板盖住孔口, 其上覆以草袋等保温隔热材料。混凝土输入冻土的热量较大, 对冻土有热融影响, 因此, 应严格控制入孔混凝土的温度, 尤其是高含冰量冻土地段, 入模温度应控制在0~5 ℃。混凝土灌注完毕, 应在桩表面覆盖草垫或用编织袋装珍珠岩覆盖蓄热保温, 起到桩顶养生的作用。对于承台底面高于地面的桩基, 露出地面的钢护筒的外侧裹以草袋或棉垫进行蓄热养生。

(7) 回冻。

桩身混凝土灌注后, 如果设计考虑了冻结力, 须待桩周地基土回冻达到设计要求后, 方可进行承台以上部分的施工。这是多年冻土地区铁路桩基础施工的特点之一。

2 冻土条件下桥梁工程的质量保证措施

2.1 结构措施

根据多年冻土的工程性质以及影响结构物稳定性的因素, 为了防止桥梁工程产生病害, 设计上基础采用深桩基础, 将桩基嵌入多年冻土内一定的深度或穿过冻土层, 以防止基础产生变形。

2.2 减小切向冻胀力的技术措施

切向冻胀力是冻土地区桥梁产生冻害的一个重要因素, 在设计和施工时要予以充分考虑。如果冻土层薄, 通常采用换填粗颗粒土的方法;若冻土层较厚, 则要采取装套管或涂润滑油脂的方法。另外, 在季节融化层并嵌入多年冻土层一定深度设永久护筒, 在护筒外涂油渣, 以保证桩侧面光滑。

2.3 减小法向冻胀力的技术措施

承台主要是受法向冻胀力的影响。在冻胀丘地带, 设计采用高桩承台, 即将承台悬空与地面≥50 cm, 以避免地面冻胀时使承台产生冻胀变形。在一般的冻土地带, 将承台底部换填50 cm的粗颗粒土, 有些地方还在承台底铺设10 cm的聚丙烯板作为缓冲层, 以减小法向冻胀力的影响。

2.4 提高墩台身混凝土耐久性的技术措施

为了解决青藏铁路结构物的混凝土施工质量问题, 铁科院进行了低温早强耐腐蚀混凝土的试验研究, 开发了DZ系列混凝土外加剂, 青藏铁路墩台身混凝土普遍使用了该外加剂。另外, 针对青藏高原恶劣的气候环境, 混凝土往往受冻融的影响而使结构物表面开裂剥落, 在设计时墩台身都设计了护面筋。

3 施工中遇到的问题及解决办法

3.1 上限附近扩孔的处理

桩基上限附近季节融化层与多年冻土层的交界部位, 往往受地下潜水和冻结层上水的影响, 使该处桩周围地层松散坍塌, 而使该处产生扩孔现象。该处扩孔对整个桩基的稳定性有很大影响, 往往会使桩基所受的切向冻胀力和法向冻胀力成倍增大。为了避免这种现象的发生, 施工时采用护筒嵌入多年冻土层≥50 cm, 必要时可适当加深护筒深度。

3.2 冻土钻进时“糊钻”的处理

在钻进过程中, 因钻头与切削土体摩擦产生一定的热量, 这部分热量虽不能全部融化冻土层, 但会造成随钻头带上来的土体部分融化而粘附于钻头上。在干作业成孔过程中多采用螺旋钻施工, 融化粘附岩屑会导致进尺效率低下, 影响成孔速度。为此, 我们根据施工情况, 对螺旋钻头采取了以下措施:①将双向进土螺旋钻改为单向进土螺旋钻;②增加螺距, 减小成孔过程中的挤密效应:③提钻前多反转, 使挤密在螺旋片中的岩土体松散;④制作专用刮土器, 起钻后螺旋钻叶片在刮土器的作用下快速刮除。

3.3 含土冰层、冰层钻进时滑钻的处理

含土冰层、冰层在场区均有分布, 且局部冰层达10 m之厚, 施工时常有钻头滑钻的情况。在施工中先用中空的岩芯钻对冰体进行切割, 然后再用桶式钻头或螺旋钻头将其取出孔外的方法进行处理。在部分土层施工时, 尽量减少反转, 可用岩芯钻直接将切割冰柱体取出孔外。

3.4 热融坍塌的处理