淺談島狀凍土對(duì)路基穩(wěn)定性影響

關(guān)鍵詞：沉融;工程地質(zhì);季節(jié)融化層 

abstract: due to the existence of the underground permafrost in permafrost regions, it is difficult to build high-grade highways, making a large area of land and resources development and utilization of the greatly curtailed. start from the definition of island permafrost island permafrost common disease analysis, summed up the main factors that affect the stability of the permafrost section of roadbed. 

key words: heavy melting; engineering geology; seasonal thawing layer 

中圖分類號(hào): tu47文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：2095-2104（2012） 

第一章 前言 

島狀凍土 

所謂島狀凍土，又稱不連續(xù)凍土。在連續(xù)凍土帶外圍和中、低緯度的高原和高山區(qū)呈島狀分散的凍土。多年凍土從高緯向低緯延伸，厚度變薄且由連續(xù)的凍土帶向不連續(xù)的凍土帶過渡。這種多年凍土的不連續(xù)帶是由許多分散的凍土塊體組成，這些分散的凍土塊體即島狀凍土。 

由島狀凍土帶來的問題 

我國(guó)的多年凍土主要分布在青藏高原和大、小興安嶺地區(qū)。由于凍土地區(qū)地下永凍層的存在，難以修建高等級(jí)公路，使得大面積國(guó)土資源的開發(fā)和利用受到很大的限制。 

由于全球氣候的變遷、氣溫變暖，特別是在修筑黑色路面后，由于吸放熱的不平衡，使黑色路面下面的凍土層正積溫增加、路堤側(cè)面受太陽輻射的影響、側(cè)向凍土環(huán)境變化及凍結(jié)層上水的影響等，使多年凍土地區(qū)高溫凍土路段增加，部分路基下季節(jié)凍結(jié)深度小于融化深度而形成的融化夾層;極少部分高填方路段由于路基的不均勻沉降而路面出現(xiàn)大幅度沉陷，導(dǎo)致構(gòu)造物無法正常使用。凍土地區(qū)筑路工作中的問題除了一般寒區(qū)道路中常見的路基凍脹、翻漿路面凍融松散低溫開裂外，還有凍土地區(qū)特有的道路病害：路基熱融下沉、熱融滑塌。 

第二章 島狀凍土病害分析 

沉融是島狀凍土地區(qū)產(chǎn)生的主要病害，一般多發(fā)生在含冰量大的粘性土地段。多年凍土分布具有不連續(xù)性，凍土厚度也有差別。這就導(dǎo)致了凍土地區(qū)道路融沉的不均勻性。有的路段在以較慢的速度連續(xù)下沉一段時(shí)間后，有時(shí)突發(fā)大量的沉陷，并使兩側(cè)部分地基土隆起。這是由于路基基底含冰量大的粘性土融化后處于飽和狀態(tài)，其承載力幾乎為零，加之路堤兩側(cè)融化深度不一使得基底形成一傾斜的凍結(jié)滑動(dòng)面。在車輛荷載的作用下，過飽和粘性土順著凍結(jié)面擠出，路堤瞬間產(chǎn)生大幅度沉陷，通常稱為突陷。這樣的突然沉陷嚴(yán)重地危及行車安全。有的路段路堤在每年融化季節(jié)逐漸下沉;而在零星島狀多年凍土帶內(nèi)，部分路基全部下沉。這種情況一般都發(fā)生在地下冰發(fā)育地段，或因施工時(shí)破壞地表草皮泥炭覆蓋層，或路堤建成后上方坡腳積水，形成地表水沿基底的橫向滲透，造成地下冰的逐年不斷融化，致使路基出現(xiàn)周期性的持續(xù)下沉。 

當(dāng)基底土層的散熱超過吸熱時(shí)，則地溫下降，人為上限就上升，路堤保持穩(wěn)定。如吸熱超過散熱則地溫上升，多年凍土融化，人為上限下降，路堤就會(huì)產(chǎn)生融沉病害。路堤越低，意味著在從上界流向地中的傳熱過程中，熱阻減小、路基自身的儲(chǔ)熱能力變小，因而不利于熱穩(wěn)定。在多年凍土上限附近的細(xì)粒土和有一定量細(xì)粒土填充的粗粒土中往往含有厚層地下冰。由于其埋藏淺，所以很容易受到人為的活動(dòng)而融化。由厚層地下冰融化而產(chǎn)生的融沉是多年凍土區(qū)路基變形和破壞的主要原因之一 

路堤的修建、路面的攤鋪改變了原表面的水熱交換條件，并引起基底土層壓縮等一系列變化。這些變化在一定條件下使上限下降。而道路的修建則增加了熱阻，是有利于上限上升的因素。當(dāng)路堤很低時(shí)，熱阻小，故使上限上升的因素弱于使上限下降的因素，因而上限一般是下降。隨著路堤高度的增加。使上限上升因素的作用也隨之增強(qiáng)。當(dāng)這一因素的作用增加至等于或大于使上限下降的作用時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致路堤下上限不變或上升。這樣就存在這樣一個(gè)路堤高度，當(dāng)上限大于這一路基高度時(shí)，上限將上升，而小于這一高度時(shí)，上限將下降。這一高度稱為臨界高度。當(dāng)采用保護(hù)凍土原則在凍土區(qū)筑路時(shí)，必須保證實(shí)際路堤高度大于臨界高度。但并非路堤高度越高越有利于保護(hù)凍土。在高溫凍土區(qū)，夏季施工的路堤其高度超過一定值時(shí)，會(huì)在堤身內(nèi)形成融土核，造成地下冰融化，而使路堤下沉。路堤建成后改變了地表和地下水的徑流條件。當(dāng)排水措施不當(dāng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生路堤過水和堤側(cè)積水現(xiàn)象。其后果往往是地下冰融化，路基下沉甚至發(fā)生突陷。 

第三章 凍土路段路基穩(wěn)定性影響因素 

影響凍土路段路基穩(wěn)定的影響因素總結(jié)起來有以下幾個(gè)： 

降水和蒸發(fā) 

降水和蒸發(fā)是季節(jié)融化層濕度狀況的直接影響因素。青藏高原融化季節(jié)正是雨季,下雨時(shí)連綿陰雨,使季節(jié)融化層,尤其是淺層濕度急劇增大。間雨期時(shí)蒸發(fā)強(qiáng)烈,又使融化層的水分疏干。這種補(bǔ)給與疏干交替進(jìn)行。補(bǔ)給時(shí),垂直滲流有加速融化程的趨勢(shì),疏干時(shí),蒸發(fā)消耗熱量以降低土面的溫度,減緩融化過程的強(qiáng)度。同時(shí),季節(jié)融化層濕度的變化也改變土質(zhì)骨架的組構(gòu),直接影響其熱周轉(zhuǎn)能力。年降水量的大小不僅影響季節(jié)融化層的濕度狀況,與季節(jié)融化層融化深度也有著密切的關(guān)系。 

季節(jié)融化層的土質(zhì)和工程地質(zhì)條件 

季節(jié)融化層骨架土的粒度組份、礦物成份以及有機(jī)質(zhì)成份的不同,形成不同的孔隙率、密度、含水和導(dǎo)水能力,這些差異直接影響土層的容積熱容量、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、相變熱和導(dǎo)濕系數(shù)等熱學(xué)參數(shù)和水分遷移系數(shù),這些參數(shù)直接參與路基穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。季節(jié)土層的表面性狀,既有地面對(duì)太陽直接輻射能吸收的正影響,也有消耗蒸發(fā)汽化熱的負(fù)影響,它的差異取決于表面濕度的色澤深淺:干燥砂礫土面的太陽直接輻射吸收率在0.72~0.80,但蒸發(fā)散熱少,故融化熱影響較強(qiáng);一般濕潤(rùn)的細(xì)粒亞粘土或稀疏草地面,吸收率在0.80左右,但通過毛細(xì)補(bǔ)給的水分蒸發(fā)作用較強(qiáng),融化熱影響稍差;濃密草地、沼澤化濕地吸收率約0.70,同時(shí)表面水分蒸發(fā)最強(qiáng)烈,因此對(duì)季節(jié)融化最為不利。季節(jié)融化層的工程地質(zhì)特性對(duì)路基的穩(wěn)定性至關(guān)重要。公路是一個(gè)帶狀結(jié)構(gòu)物,其自重與車輛荷載影響的深度一般在0.7~3.7 m。進(jìn)行公路建設(shè),尤其是在高原多年凍土地區(qū)進(jìn)行公路建設(shè),就必須清楚這一深度范圍內(nèi)的工程地質(zhì)特征。青藏高原晚近期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,褶皺斷裂發(fā)育,形成山脈與谷地、盆地相間分布的格局,第四紀(jì)堆積物則為冰積、冰水沉積、湖相沉積、河流沉積、寒凍風(fēng)化與水流堆積及風(fēng)積物。因此,松散層堆積物的厚度變化很大,薄者不到1 m,厚者可達(dá)300多m。強(qiáng)風(fēng)化帶以上多為8~12 m。公路建設(shè)活動(dòng)主要在季節(jié)融化層上進(jìn)行,因此季節(jié)融化層的工程地質(zhì)特性是決定公路路基穩(wěn)定性的重要因素之一。