道路冻胀翻浆

兰州交通大学工程硕士学位论文-I-摘要甘肃省地处西北，处于冬季季风性气候区、西北干旱区及青藏高寒气候区的交汇地带，冬季严寒，道路冻胀翻浆病害普遍，严重影响了我省的道路工程建设与发展。甘肃省春融期间大量的道路工程会发生季节性翻浆病害，影响行车安全及产生道路畅通问题，在甘南、合作、临夏、陇南、定西及乌鞘岭等地尤其严重，即使是新修的道路工程也经常有路基冻胀翻浆病害发生。甘肃省每年都要投入大量的人力、物力和财力到道路翻浆病害整治中去。在季节冻土地区，伴随着土中水的冻结和融化，发生着一系列奇异而独特的冻土现象，如随着大气温度的下降，土体温度降到土中孔隙水结晶点时，土体便发生冻结，出现冰晶体，导致土体发生冻胀。到了春季，随着气温的上升，冻结后的土体从上层开始融化，但冻土层的下层尚未消融，水分无法下渗，使土体含水量增大，导致强度降低。一旦土体中冰侵入体消融成水，而土体又未能完全排水固结，在上部荷载作用下产生的孔隙水压力大到足以使路基土体发生流动时，就会以泥浆形式向上部粗颗粒运动及从路面裂缝中冒出，使上部结构发生沉陷变形及道路翻浆冒泥等现象。翻浆的出现极大地降低了路基的稳定性和增加了道路变形。现在防治路基冻胀翻浆较为常用的措施是换填冻胀性较小的粗颗粒土。但是，现有室内外试验和实际工程均已证明：通过换填粗颗粒土的方法只能减少冻胀，不能消除水分迁移。在反复冻融的情况下，路基中发生竖向及侧向水分迁移和积聚，路基中仍然会有较大的含水量，在冻融作用及上部荷载作用下仍有翻浆现象的发生。现在普遍使用的路基结构不能从根本上消除路基冻胀翻浆病害的发生，迫切需要寻求新的路基结构型式，改变路基中的水分迁移条件，防止路基冻胀翻浆的发生。本文通过理论分析及室内试验，研究季节冻土区道路翻浆破坏机理及影响因素，通过室内模型试验研究季节冻土区路基内的水分迁移规律及路基变形规律，提出防止道路翻浆破坏的新型双向防隔水路基结构型式。对季节冻土区道路工程的建设、运营及维护有着重要的现实意义。关键词：冻土；冻胀翻浆；路基结构；水分迁移；温度变化论文类型：应用研究兰州交通大学工程硕士学位论文-2-1绪论1.1道路冻胀翻浆研究目的及其意义我国长江以北的大部分地区冬季土体冻结，春季气温回升冻结的土体又发生融化，这些地区大多处于季节性冻土区[1-4]，在季节性冻土区的道路工程常出现冻胀、融沉及翻浆等病害。甘肃省地处西北，处于冬季季风性气候区、西北干旱区及青藏高寒气候区的交汇地带，冬季严寒，道路冻胀翻浆病害普遍，严重影响了我省的道路工程建设与发展。甘肃省春融期间大量的道路工程会发生季节性翻浆病害，影响行车安全及产生道路畅通问题，在甘南、合作、临夏、陇南、定西及乌鞘岭等地尤其严重，即使是新修的道路工程也经常有路基冻胀翻浆病害发生。甘肃省每年都要投入大量的人力、物力和财力到道路翻浆病害整治中去。季节性冻土地区，随着土体中水的变化：冻结与融化，伴随着一些奇特的冻土现象，如随着外界环境温度的下降，土体中的孔隙水发生结晶时，土体就发生冻结，土体中出现冰晶体，这是导致土体发生冻胀的主要因素[5-7]。冬季过去，随着大气温的回升，冻结后土体中的冰晶体从土体的上层向下慢慢开始融化，但是冻结层的下层并没有发生消融，土体中的水分不发生下渗，从而使土体的含水量增多，致使路基中土体的强度降低。随着土体进一步消融，冻结的冰会侵入到消融的土体中，但是土体并没有完全发生排水固结，在上部荷载作用下产生的孔隙水压力大到足以使路基土体发生流动时，就会以泥浆形式向上部粗颗粒运动及从路面裂缝中冒出，使道路结构发生变形，出现道路的翻浆冒泥等一系列现象[8]。路基中的不均匀冻胀，致使路基发生变形以及开裂，从而导致路面结构的破坏；第二年春季来临，冻结的土体融化，路面就会发生裂缝、鼓包等一系列病害，如图1-1所示就是高速公路路面发生鼓包病害的图片。随着病害的加剧，行车安全就会受到影响，有时甚至使道路无法通行，翻浆的出现大大降低了路基内土体的强度，致使稳定性降低，并使道路的变形加剧。图1-1公路病害图冻胀和融沉都会造成道路工程中路面平整度的下降，有时甚至会遭到破坏，这对道路工程的安全性与稳定性构成严重的威胁，尤其是对高速公路上的平顺通车造成影响，甚至造成行车过程中的安全隐患；随着道路损坏严重养护费用也将继续增大，这给道路工程埋下巨大的安全危害，同时也浪费了国民的经济资源[9]1.2道路冻胀翻浆研究背景我国从“七五”开始，道路工程尤其是公路的建设跨入了新阶段，主要以高等级公路建设为主，截止2009年底，我国高速公路6.5万公里的通车总里程居兰州交通大学工程硕士学位论文-3-世界第二。1978年底台湾的中山高速公路长373公里（高雄-基隆）。1988年10月31日，全场18.5公里上海至嘉定的高速公路顺利通车，这是我国最早的高速公路。从此以后，我国高速公路的投资建设逐年增加，截止2004年8月总的通车里超过了3万公里，比加拿大高出一倍（当年加拿大位列世界第三）。逐渐我国形成了“首都连接省会，省会彼此相通，连接主要城市，覆盖重要县市”的全国高速公路路网结构[1]，进而促使国民经济的蓬勃发展。公路的分布如同一种带状分布的构造物，有连接城市与城市的作用，全国的路网纵横交错，现开工的公路建设分布在全国各地，在我国，季节性冻土区面积占国土面积一半以上，因而，不可避免要在季节性冻土区域进行公路建设。由于季节性冻土地区的地质现象、水文条件以及气象原因等自然因素的影响，使路基产生冻胀翻浆病害，使路面结构的使用寿命达不到设计年限，并出现早期损坏[1]。公路病害中最常见的见的两种病害就是冻胀和翻浆。图1－2（冻胀翻浆图片）。图1－2冻胀翻浆图在季节冻土区，环境温度的变化造成路基的冻结与融化，土体中的孔隙水发生结晶时，土体就发生冻结，土体中出现冰晶体，这是导致土体发生冻胀的主要因素。冬季过去，随着大气温的回升，冻结后土体中的冰晶体从土体的上层向下慢慢开始融化，但是冻结层的下层并没有发生消融，土体中的水分不发生下渗，从而使土体的含水量增多，致使路基中土体的强度降低。影响道路以及行车安全。在此前提下，兰州交通大学承担了甘肃省建设厅关于道路冻胀翻浆的研究课题《西北寒冷地区道路冻胀翻浆防治技术研究》。本文是根据该课题的研究内容，分析甘肃省道路路基冻胀翻浆的原因，进而提出一种双向防隔水的新型路基结构型式。为冻胀翻浆的治理提供有效的理论依据，为现有的路基结构做进一步改进设计做出理论支撑，以此可以引用到西部寒冷地区的道路工程建设。1.3国内外研究现状和发展趋势1.3.1国外研究现状和发展趋势冻土研究是在寒冷地区的生产与实践中总结发展起来的。要在冻土区经行工程建设，所以产生了有关于冻土的很多问题，这需要大量学者进行科学研究，冻土是如何发生冻结、发生冻结的规律、融化产生的一系列问题等、对以上的规律进行总结和提炼，产生了冻土学。20世纪30年代初期冻土学基本形成，随后分为普通冻土学和工程冻土学，最早冻土学在前苏联逐渐成为一门独立学科[10]。16世纪，就出现了西伯利亚和北美地区冻土文献的报道。1757年M.B.罗蒙诺索夫发表了关于“冻土地”的综述文献，对“冻土地”的形成及其与气候、地形的关系提出看法。19世纪，前苏联初步获得了西伯利亚冻土层的温度、厚度、埋兰州交通大学工程硕士学位论文-4-藏条件和分布情况的资料；随着西伯利亚工业和农业发展，特别是铁路的修建，更多的学者进行冻土研究。由于铁路建设需要，《西伯利亚冻土研究指南》于1895年在俄国地理协会的制定下出版，1917年以后，学者们对冻土的研究有了更新的认识，研究目的也就变越来越有针对性，并成立了冻土研究机构。1927年出版M.H.苏姆金的《苏联境内永久冻结土壤》专著，标志冻土学已成为一门独立学科。1940年出版《普通冻土学》、1959年出版《冻土学原理》、1988年出版《苏联冻土学》，这些专著都对以后冻土学发展有深刻的影响。二战以前，北美在多年冻土区开采金矿，季节性冻土道路工程的研究也在进行。二战中，北极地区修建军事工程受一系列冻土问题的困扰，使美军成立专门研究冻土的机构[11]。1961年，美国陆军部成立寒区研究和工程试验室，专门从事北极战争条件、房屋结构、道路工程等寒区工程研究，60年代末，北极海发现大量石油，70年代阿拉斯加石油管道的修建，都促使冻土研究迅速发展。1978年，在加拿大举行第三届国际冻土会议，十四个国家的冻土学者就区域冻土、冻土现象、冻土热层等方面发表了150篇论文[12]。1.3.2国内的研究现状和发展趋势国内学者对道路工程的冻胀翻浆病害的探索由来已久，起初对道路翻浆的研究主要为道路翻浆现象调查、影响因素分析和翻浆路段整治等方面。如：窦明建[13]（2003）等对渭清公路翻浆病害进行了调查，对路基翻浆原因进行看分析。李雨浓[14]（2010）等对季冻区高速公路路基冻害的原因和影响因素进行分析和探讨。关海燕[15]（2006）等对哈尔滨市道路翻浆原因进行了调查，影响道路翻浆的因素主要为：土质、水分、温度、路基路面结构和荷载，论述了几种道路翻浆的防治措施。宋珲[16]（2007）等研究了季节冻土区路基土冻胀与融沉的影响因素，路基土体发生冻胀融沉与土体的本身性质、密度、行车荷载、含水率、外部环境温度以及土体的盐分有关[17]。就影响道路翻浆的因素而言，影响季节冻土区道路翻浆的主要原因是路基中水分积聚。目前对道路翻浆病害的研究主要包括逐渐深入到路基翻浆机理探讨、数值模拟、新材料应用及土质改良等方面。在路基土翻浆机理研究方面，如：唐红梅[18]（2003）等对新疆天山公路道路翻浆土体毛细特性进行试验研究。袁建议[19]（2003）等进行了翻浆路基中温度传导机理初步研究。陈洪凯[20]（2002）等基于新疆境内道路翻浆现象的现场调查与分析，研究了高寒地区道路翻浆的发育机理。李杨[21]（2008）等研究了长春地区季节冻土的基本性质，评价了冻土性质对水分迁移的影响。在路基土翻浆数值模拟方面，如：王铁行[22]（2003）等对多年冻土区路基温度场和水分迁移场耦合问题进行了研究。宋存牛[23]（2007）季节冻土区风积沙土路基冻结过程中水热迁移数值分析。袁建议[24]（2008）等对新疆天山公路兰州交通大学工程硕士学位论文-5-道路翻浆温度场进行了数值模拟分析。在新材料应用于路基加固方面有，如：张季如[25]（2002）等对某公路翻浆病害进行调查，采用土工合成材料进行路基翻浆治理，防止碎石料陷入软土中，加速路基底部孔隙水压力消失和软土固结，减小冻结过程中的水分迁移。霍凯成[26]（2003）等介绍了土工合成材料在路基翻浆病害治理中的作用，采用土工合成材料进行路基翻浆治理，减轻了路基的冻胀翻浆病害。在路基土改良方面，如：改变路基结构、土质改良、排水隔水等措施。李玉峰[27]（2000）等采用丙烯酸钙和脲醛树脂对路基土体进行改良，并通过室内试验，研究了改性土的动力特性。邹斌[28]（2001）等采用改性脲醛树脂对川黔铁路某段进行灌浆，基本消除了路基的翻浆冒泥现象。孙歆硕[29]（2007）等分析了津唐港地区的盐渍土路基翻浆的病害原因，采用固化剂对进行土质改良，提高了路基土体的稳定性。1.4本文研究的主要内容季节冻土区的道路工程在春融期间往往出现大量的翻浆冒泥路基病害，严重影响行车安全及道路畅通。本文通过理论分析及室内试验，研究季节冻土区道路翻浆破坏机理及影响因素，通过室内模型试验研究季节冻土区路基内的水分迁移规律及路基变形规律，提出防止道路翻浆破坏的新型双向防隔水路基结构型式。对季节冻土区道路工程的建设、运营及维护有着重要的现实意义。1.5本章小结通过以上分析，本章主要内容有：（1）介绍西北寒冷地区修建道路工程的困难，以及国内外对季节性冻土路基的研究现状。（2）分析季节性冻土地区道路冻胀翻浆的成因，并提出解决办法：新型双向防隔水路基结构型式。（3）本文对道路冻胀翻浆的研究内容以及现实意义。2道路冻胀翻浆的原因及分类冻胀翻浆作为一种较为普遍的道路病害广泛存在于我国北部交通系统中，当地层发生冻胀时水分变成冰后体积增大9%