冻土灾害特征与防治对策研究-西宁会议

冻土工程国家重点实验室冻土灾害特征与防治对策研究马巍,牛富俊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汇报提纲一、中国冻土的分布特征二、冻土灾害特征三、防治对策研究进展四、未来面临的挑战冻土工程国家重点实验室汇报提纲一、中国冻土的分布特征二、冻土灾害特征三、防治对策研究进展四、未来面临的挑战冻土工程国家重点实验室冻土是一种温度低于0℃，且含有冰的特殊土体。从赋存时间,可分为季节冻土和多年冻土。冻土工程国家重点实验室冻土工程国家重点实验室冻土分布状况•地球上多年冻土面积约占陆地的20%。–原苏联多年冻土区约1000万平方公里（占国土面积的50%）–加拿大390-490万平方公里（占国土面积的50%）–中国215万平方公里（占国土面积的20%）–美国140万平方公里（占国土面积的15%）。冻土工程国家重点实验室中国215万平方公里多年冻土，世界第三冻土工程国家重点实验室汇报提纲一、中国冻土的分布特征二、冻土灾害特征三、防治对策研究进展四、未来面临的挑战冻土工程国家重点实验室正冻土：水分向冻结锋面迁移、冻胀正融土：融沉、承载能力急剧降低已冻土：对温度十分敏感、强流变性从赋存状态,可分为：正冻土、正融土、已冻土分凝冰正温负温水分冻结锋面融沉特性冻胀特性强度特性冻土工程国家重点实验室冻土区发生的冷生过程及冷生现象冷生过程冻胀冻裂冻拔融沉冻融分选冷生风化融冻泥流冻胀丘冻土工程国家重点实验室ZK5ZK4ZK3ZK2ZK1冻土工程国家重点实验室冰冻土工程：构筑在“地下冰”上的工程冰冰冰冻土工程国家重点实验室冰椎冻胀丘冻拔桥梁断裂冻土工程国家重点实验室房屋地基下沉道路融陷铁轨变形横向裂缝冻土工程国家重点实验室涵洞冻胀破坏冻土工程国家重点实验室•冻结后强度很高•有很强的流变性•融化后强度急剧降低•冻胀•融沉或融陷•承载力变化•变形变化冰和温度温度所致•气温或环境变化•工程活动•冻土退化冻土工程国家重点实验室工程建设和运营中面临的问题冻胀冻土工程国家重点实验室汇报提纲一、中国冻土的分布特征二、冻土灾害特征三、防治对策研究进展四、未来面临的挑战冻土工程国家重点实验室季节冻土区工程•主要以预防融沉为主多年冻土区工程•主要以预防冻胀为主冻土工程国家重点实验室冻土工程设计与稳定性评价:首先要考虑承载体“冻土”的变化过程•热学稳定性•力学稳定性必须考虑：气候工程环境冻土冻土工程国家重点实验室1.青藏铁路重叠连续多年冻土区：550km不连续多年冻土区：82km全长1142km新建段：长1118km高温多年冻土：275km高含冰量冻土：221km134km极易变化冻土工程国家重点实验室在高温高含冰量冻土区筑路并保证其稳定仍是世界性难题！如何在技术和理论上突破？冻土工程国家重点实验室???增加热阻方法延缓冻土融化不能根本上保证路基稳定低温多年冻土高温多年冻土传统的筑路技术冻土工程国家重点实验室突破传统设计原则保护冻土设计原则允许融化设计原则预先融化设计原则冷却路基、降低冻土温度设计新原则冻土工程设计理论重要贡献应用于多年冻土区重大工程建设冻土工程国家重点实验室构建了以调控热的传导、对流和辐射为理论基础的冷却路基筑路技术体系调控传导已广泛应用于青藏铁路建设中遮阳棚结构冻土工程国家重点实验室旱桥冻土工程国家重点实验室研究成果得到全面应用，保障了青藏铁路成功建设和安全运营。平均时速达到100公里/小时，创造了世界冻土区铁路的最高时速安全平稳运行冻土工程国家重点实验室2.中俄原油管道工程0m180m0m180m冻土工程国家重点实验室穿过：441km多年冻土区512km的季节冻土区沿线气候:-52+40C管道设计：管径：81.3cm埋深：1.6-2.0m(上限附近)漠河连崟大庆林源塔河大杨树加格达奇冻土工程国家重点实验室沿线：气候变化:-52+40C气候变暖显著，冻土退化明显(1961-2000年间气温升高了0.9-2.2℃，预测未来50年将升高1.0-1.5℃)水多（降雨/雪较大，大中型河流、小溪和湿地多）不良冻土现象普遍（冻胀丘，冰椎等）油温正负交替变化(-6℃～10℃)直接对下伏冻土进行热扰动穿越森林地带冻土工程国家重点实验室输油管道常见敷设方式管道保温材料热管埋设桩基热桩架设10/39冻土工程国家重点实验室原油冻土工程国家重点实验室建议通过控制和加强排水、冻胀非敏感性土换填以及保温、加大壁厚等措施来实现“改进的埋设”施工方案。在冻土沼泽、富含冰冻土斜坡、冻融过渡段等被设计和施工部门采用，保证了管道的稳定性。非冻胀敏感性土回填细沙垫层1:0.67原冻土上限天然地表原土回填3030管道100单位:厘米170覆土30120保温材料管道冻土工程国家重点实验室主要防治措施：保温管道（饱冰和含土冰层）加大壁厚（饱冰、含土冰层,下限较深的富冰冻土）保温+换填（含土冰层）以上防治措施在管道设计施工中得到直接应用提出了热管，加强排水，土工布等措施，为后期维护提供重要的防灾减灾措施。冻土工程国家重点实验室冻土工程国家重点实验室3.青藏高原输变线塔基工程冻土工程国家重点实验室灌注，深度11-17锥柱，深度3.7-5.8装配，深度4.6-4.8掏挖，深度5.1-7.1塔基基础型式冻土工程国家重点实验室①塔基基础形式对塔基温度场的影响对比季节活动层变化，柱状基础热稳定性好于锥柱基础和装配式基础大开挖基础。冻土工程国家重点实验室②塔基传热过程对塔基温度场的影响由于塔基的导热作用，对塔基周围土体的升温明显起到促进作用，锥柱和装配基础的融化深度明显大于天然场地，多数为上限较天然场地深约1m左右，个别达到2m。冻土工程国家重点实验室③冻土地温条件对塔基热稳定性的影响低温多年冻土区，在夏季地温稳定性良好，而在高温多年冻土区塔基温度场升温速率相对较快无热管-2.86无热管-0.52冻土工程国家重点实验室④冻土类型对塔基传热过程的影响低含冰量冻土区的传热过程大于高含冰量冻土区的传热过程冻土工程国家重点实验室⑤工程措施对于塔基热稳定性具有重要作用通过热管降温作用的发挥，在促进降温作用的同时，对夏季地温场升温起到很好阻挡作用有热管-1.33无热管-1.24有热管无热管冻土工程国家重点实验室塔基整体基本处于稳定状态，部分塔基受地温状况、塔基类型、多年冻土类型等影响，表现出一定程度的沉降、冻胀变形特征，但由于量值不大，特别是不同塔腿之间的差异变形很小，总体对塔基不构成大的影响。冻土工程国家重点实验室利用植被进行地温调控新结构研究植被安全越冬；植被生长效果良好；降温效果显著冻土工程国家重点实验室4.哈大高铁工程哈大高铁于2012年12月1日全线开通运营，全程921公里。其中正线路基长度231.245km，占线路长度的25.58%；全线中桥以上桥梁共162座，共662.765km，桥梁长度占线路长度的73.32%；全线共有隧道8座共9.929km，占线路全长的1.1%。中国冻土分布类型及高速铁路规划示意图冻土工程国家重点实验室保温法防冻胀换填法防冻胀防、隔、排水工程设施直接增大了该部位的热阻，减弱热交换量值的大小和强度，使得保温层下部土层的热周转幅值降低，从而直接减小冻结深度。将冻结影响范围的冻胀敏感性性土全部或部分换填为非冻胀敏感性土。水分是路基不稳定分析中活跃的因素，布设相对应的工程措施，保证路基水稳定性是路基稳定性的重要指标之一。土体冻胀现象的产生需同时具备土、水、温度三个因素的综合作用。因此，为了防止路基冻胀破坏作用的产生，只需消除这三个因素中的其中一个以上的因素，就能有效达到防治的目的。方法、技术、措施相对较成熟！冻土工程国家重点实验室高速铁路路基结构形式现状道床碎石/轨道板基座沥青混凝土结合层级配碎石或高炉矿渣碎石排水层（天然地基路堑地基）强化基床表层基床（路堤）（路堤）基床强化基床表层（天然地基路堑地基）排水层水硬性级配高炉矿渣碎石结合层道床碎石/轨道板基座基床基床(碎石基床表层)(矿渣基床表层)(土基床表层)基床道床碎石/轨道板基座结合层优质天然土或者未筛分统货碎石排水层（天然地基路堑地基）土基床表层基床（路堤）路基面基床面5%路基保护层PSS（有碴轨道）/水硬性胶结层HGT（无碴轨道）路基防冻层FSS基床底层路堤下填土（路基地基过渡层）2m20cm～30cmDpr＝0.97GW、GI、GE、SE、SW、SIDpr＝1.00GW、GI、GE、SE、SW、SIDpr＝1.03GW、GIDpr＝0.97GW、GIDpr＝0.95GE、SE、SW、SIEv2＝120MPaEv2＝80MPaEv2＝60MPa5%面碴层底碴层ebesbe1en碴垫层底基层防污染层道碴层路基5%路基表层纵向排水设施油毛毡垫层接触网支柱线路中心线线路中心线3000mm4%基床表层4%基床底层1：1.5电力电缆槽混凝土基础3000mm混凝土基础电力电缆槽1：m纵向盲沟基床以下路堤4%4%4%4%电缆槽日本（新干线）路基结构形式德国（ICE）路基结构形式法国（TGV）路基结构形式中国（京沪线）路基结构形式冻土工程国家重点实验室哈大线路基结构形式坡度1：1.5左侧盲沟（填充碎石）A/B组填料与褥垫层（碎石、砂复合层）交界面（Ⅰ线）（Ⅱ线）4.305.004.30左侧渗水管右侧渗水管右侧盲沟（填充碎石）左侧接触网支座基础左侧电缆渡槽左侧边沟右侧边沟右侧电缆渡槽右侧接触网支座基础CFG桩+黄土地基与褥垫层（碎石、砂复合层）交界面①②③④⑤⑥⑦③④混凝土基础CA砂浆C20混凝土级配碎石砂砾土非冻胀性A/B组填料普通A/B组填料褥垫层级配碎石④③⑦⑥⑤②①CFG桩+黄土地基与褥垫层（碎石、砂复合层）交界面右侧接触网支座基础右侧电缆渡槽左侧电缆渡槽左侧接触网支座基础4.305.004.30（Ⅱ线）（Ⅰ线）A/B组填料与褥垫层（碎石、砂复合层）交界面④④级配碎石褥垫层普通A/B组填料非冻胀性A/B组填料级配碎石砂砾土C20混凝土CA砂浆混凝土基础冻土工程国家重点实验室目前运营状态良好；封闭结构防冻胀思考！措施的精细化应用规范的教条化使用冻土工程国家重点实验室汇报提纲一、中国冻土的分布特征二、冻土灾害特征三、防治对策研究进展四、未来面临的挑战冻土工程国家重点实验室阴坡和阳坡温度场和上限极不均匀1.路基阴阳坡效应—认识不足051015202530distance/m-10-7.5-5-2.502.5depth/m051015202530distance/m-10-7.5-5-2.502.5depth/m冻土工程国家重点实验室-90-80-70-60-50-40-30-20-10010Sep-05Dec-05Mar-06Jun-06Oct-06Jan-07Apr-07Aug-07Nov-07Feb-08May-08Sep-08Dec-08Mar-09Jul-09Oct-09Jan-10时间(月-年)变形量(mm)右路肩左路肩-30-20-10010Sep-05Dec-05Mar-06Jun-06Oct-06Jan-07Apr-07Aug-07Nov-07Feb-08May-08Sep-08Dec-08Mar-09Jul-09Oct-09Jan-10时间(月-年)变形量(mm)右路肩左路肩影响路基稳定性路基不均匀沉降导致:路堤开裂冻土工程国家重点实验室冻土工程国家重点实验室冻土工程国家重点实验室利用不同厚度块石层进行坡面调温采取措施前采取措施后B'VV5.0mI'H'0.8m1.6mC'II30.0mJKIH0.4mGIF30.0mLIV30.0mEDC1:1.75BA3.0mMN3.4m7.2m24.0mIII其它技术？？冻土工程国家重点实验室4799.4004799.4504799.5004799.5504799.6004799.6504799.7004799.7504799.8004799.8502005-5-282005-9-52005-12-142006-3-242006-7-22006-10-102007-1-182007-4-282007-8-62007-1