214線退化性多年凍土地區(qū)試驗(yàn)路設(shè)計(jì)

1、1引言國(guó)道214線鄂拉山至清水河段，經(jīng)過勘察，多年凍土區(qū)跨越里程313.3km，其中連續(xù)多年凍土92km，不連續(xù)多年凍土147.3km，凍土總里程239.3km。在全球大氣環(huán)境轉(zhuǎn)暖，高原冰川后退，雪線上移，以及鋪筑黑色瀝青路面施工等人為活動(dòng)的影響下，在公路沿線凍土已發(fā)生明顯退化。在國(guó)內(nèi)，以往研究?jī)鐾翆?duì)工程的影響是針對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的凍土為主要對(duì)象，包括青藏公路的凍土研究，它的經(jīng)驗(yàn)不能簡(jiǎn)單地推演到退化狀態(tài)凍土。國(guó)外，一些國(guó)家也是近期認(rèn)識(shí)到全球氣候轉(zhuǎn)暖對(duì)凍土退化的影響，在工程對(duì)策上剛剛起步，尚無成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒，且凍土地質(zhì)條件及氣候環(huán)境的差別，對(duì)工程影響的程度也不盡相同。為研究在退化性多年凍土地區(qū)修筑公路

2、的可靠性，“214國(guó)道退化性多年凍土地區(qū)路基路面修筑技術(shù)的研究”課題列入“八五”交通部行業(yè)聯(lián)合科技攻關(guān)計(jì)劃，為滿足課題研究?jī)?nèi)容的需要，決定建設(shè)試驗(yàn)路進(jìn)行研究。2試驗(yàn)路選擇與地質(zhì)條件分析2.1試驗(yàn)路的選擇試驗(yàn)路的選擇以滿足課題研究的需要和能夠代表214國(guó)道退化性多年凍土類型的路段為原則，同時(shí)兼顧今后工作的方便，依據(jù)前期對(duì)214國(guó)道多年凍土調(diào)研成果，擬定在花石峽以南長(zhǎng)石頭山以北K309+000K324+000段總計(jì)15km范圍內(nèi)，結(jié)合改建工程建立試驗(yàn)研究工程段。為進(jìn)一步查清K309+000K324+000段凍土類型，又進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)勘探，開挖試坑8個(gè)，測(cè)地雷達(dá)勘察15km和8個(gè)橫剖面，綜合分析勘

3、察結(jié)果，確定K309+000K324+000范圍內(nèi)K309+000K310+400(不連續(xù)多年凍土干燥型凍土島)、K314+100K315+100(不連續(xù)多年凍土濕潤(rùn)型凍土島)、K317+000K317+800(連續(xù)多年凍土干燥型)、K321+540K322+340(連續(xù)多年凍土濕潤(rùn)型)修建試驗(yàn)路。2.2試驗(yàn)路地質(zhì)條件分析試驗(yàn)路長(zhǎng)石頭山(K309+000K324+000)段為典型的連續(xù)多年凍土區(qū)，以三疊系砂巖為主夾頁巖，區(qū)段內(nèi)第四紀(jì)松散層從2m7m，以殘積礫石為主，路線兩側(cè)有侵蝕平臺(tái)構(gòu)成小流域緩坡，草皮亞粘土或粉砂土覆蓋，形成典型的凍脹草丘、熱融滑塌、地下冰發(fā)育。坡腳山前洪坡積裙及洪沖積階地上

4、，砂礫土厚度一般小于10m，植被較好，地下水埋深淺。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，公路沿線分布著不同的多年凍土類型。2.2.1不連續(xù)島狀多年凍土干燥型段該段海拔高程4 248m，設(shè)計(jì)里程K310+000K310+300，全長(zhǎng)300m。路基兩側(cè)地勢(shì)平坦，屬古河漫灘相，地表植被稀少，干燥，無季節(jié)性積水坑。天然地表由于人工取土，破壞處較多。上限位置2.07m，上限含水量W=84.93%。第四紀(jì)厚度57m，強(qiáng)風(fēng)化層89m。凍土層厚度35m。2.2.2不連續(xù)多年凍土濕潤(rùn)型段該段海拔高程4 3474 333m，設(shè)計(jì)里程K314+200K314+500和K314+650K314+950，全長(zhǎng)600m。路基上方丘狀草皮發(fā)

5、育，潮濕，有少量季節(jié)性淺層地下水出露，多年形成斑土，并有小型凍脹丘，有少量?jī)霭问?。路基下方草皮發(fā)育，地面稍平整，K314+650K314+950路線右側(cè)有季節(jié)性積水坑。上限位置1.341.48m，上限含水量W=25.78%。第四紀(jì)厚度56m，強(qiáng)風(fēng)化層厚度89m。凍土層厚度610m。2.2.3連續(xù)多年凍土干燥型段該段海拔高程4 3884 381m，設(shè)計(jì)里程K317+100K317+700，全長(zhǎng)600m。地表有少量積水坑，植被較好，但地表較干燥，有凍脹裂縫，無礫塊石裸露。上限位置1.28m，上限含水量W=40.8258.63%。干容重d=0.811.14g/cm3。第四紀(jì)厚度56m，強(qiáng)風(fēng)化層厚度7

6、8m。凍土層厚度大于15m。2.2.4連續(xù)多年凍土濕潤(rùn)型段該段海拔高程4 4844 474m，設(shè)計(jì)里程K321+640K322+240，全長(zhǎng)600m。地表為高山草甸，丘狀草皮發(fā)育，地表季節(jié)性積水坑較多，潮濕。路基上方開挖，天然地表排水溝兩側(cè)熱融滑塌嚴(yán)重。上限位置1.151.20m，上限含水量W=156.62196.38%，干容重d=0.33g/cm3。第四紀(jì)厚度約為56m，凍土層厚度大于40m。3試驗(yàn)路與觀測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)3.1試驗(yàn)路設(shè)計(jì)試驗(yàn)路的設(shè)計(jì)主要為路基設(shè)計(jì)和路面設(shè)計(jì)，路基、路面設(shè)計(jì)遵循的原則：(1)采用嚴(yán)格保護(hù)凍土原則的路段，屬連續(xù)多年凍土濕潤(rùn)型；(2)不能保護(hù)凍土，僅僅盡可能地減緩凍土層的融

7、化速率，直到其完全退化為季節(jié)凍土為止，在公路正常運(yùn)行期以局部修補(bǔ)為主，避免大規(guī)模的融沉、翻漿等病害。此種路段有不連續(xù)多年凍土區(qū)濕潤(rùn)型凍土島及未來可能退化為凍土島的濕潤(rùn)型連續(xù)多年凍土區(qū)；(3)以保護(hù)凍土為主，允許緩慢融化為原則的路段，有連續(xù)多年凍土干燥型和不連續(xù)多年凍土干燥型凍土島。根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，路基高度(原天然地面算起)分別為1.5、2.0、2.5、3.0m四種，路基寬度8.5m，無側(cè)向保護(hù)結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)路系在原舊路的基礎(chǔ)上改建而成。為保證今后科研觀測(cè)的效果 ，路基加寬部分填土，要和原路基土相同，提高路基部分土要用碎(礫)石土。為研究在不同路面類型下，路基的穩(wěn)定性及凍土上限的變化，確定試驗(yàn)路的

8、路面形式為：中粒式瀝青碎石路面(1.80km)，厚度4cm；水泥混凝土路面(0.30km)，厚度20cm；砂礫路面(0.10km)，厚度15cm。中粒式瀝青碎石路面設(shè)計(jì)累計(jì)當(dāng)量軸次(BZZ-100)為2.64×106次，設(shè)計(jì)使用年限12年(LR=0.686mm)。水泥混凝土路面設(shè)計(jì)累計(jì)當(dāng)量軸次(BZZ-100)為7.83×105次，設(shè)計(jì)使用年限20年，設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度為4.0MPa。試驗(yàn)路路基、路面設(shè)計(jì)情況如表1 。試驗(yàn)路路基、路面設(shè)計(jì)一覽表表1序號(hào)起訖樁號(hào)長(zhǎng)度路面類型路基高度(m)凍土類型1K310+000K310+300300瀝青砼1.5、2.0連續(xù)多年凍土干燥型凍土島2

9、K213+200K314+500300瀝青砼2.0、2.5不連續(xù)多年凍土濕潤(rùn)型凍土島3K314+650K314+800150瀝青砼2.0、2.5不連續(xù)多年凍土濕潤(rùn)型凍土島4K314+800K314+950150水泥砼1.5不連續(xù)多年凍土濕潤(rùn)型凍土島5K317+100K317+700600瀝青砼2.0、2.5連續(xù)多年凍土干燥型6K317+700K317+800100砂礫2.0連續(xù)多年凍土干燥型7K321+640K321+790150水泥砼2.0連續(xù)多年凍土濕潤(rùn)型8K321+790K322+240450瀝青砼2.5、3.0連續(xù)多年凍土濕潤(rùn)型合計(jì)22003.2觀測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)本研究課題的核心是凍土的退化，

10、即不同狀態(tài)的凍土(連續(xù)多年凍土、不連續(xù)多年凍土)在全球大氣變化環(huán)境下多年凍土退化趨勢(shì)和速率，它是基礎(chǔ)，也是討論其它因素參照的前提。這是一方面。第二方面是地下水對(duì)凍土層的融蝕，不同路面(瀝青、水泥混凝土、砂礫)及不同路堤高度影響下的退化系數(shù)。觀測(cè)網(wǎng)由氣象觀測(cè)、地溫變化觀測(cè)、路基變形觀測(cè)等三部分組成。3.2.1氣象氣象條件與多年凍土的退化趨勢(shì)有著密切的關(guān)系。氣象觀測(cè)是為課題研究提供氣象基本資料，以利于對(duì)多年凍土退化趨勢(shì)和速率進(jìn)行預(yù)報(bào)。地面氣象觀測(cè)的主要項(xiàng)目都是在觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)通過各種儀器進(jìn)行的。觀測(cè)地的選擇是否適宜，對(duì)觀測(cè)資料的代表性、準(zhǔn)確性和比較性影響極大。根據(jù)研究課題所需的氣象資料和對(duì)氣象場(chǎng)地的要

11、求，氣象場(chǎng)地選擇在K311+000路線左側(cè)，場(chǎng)地大小為20(南北)×16(東西)(m2)，確定地面觀測(cè)的項(xiàng)目有：氣溫、濕度、風(fēng)、降水、蒸發(fā)、地溫等。氣象觀測(cè)場(chǎng)及儀器的布置均按國(guó)家氣象觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，氣象觀測(cè)時(shí)間以我國(guó)確定的北京時(shí)間08、14、20時(shí)進(jìn)行。3.2.2地溫地溫觀測(cè)是對(duì)不同路面和不同路堤高度及地下水對(duì)凍土層融蝕影響下的地下溫度觀測(cè)，以確定多年凍土的上限變化情況，為分析路基變形奠定基礎(chǔ)。為分析自然氣候變化多年凍土的退化趨勢(shì)，期望恢復(fù)20年氣候變化與地溫變化的直接聯(lián)系，在連續(xù)多年凍土區(qū)K322+900左側(cè)天然地面布設(shè)一個(gè)40m地溫觀測(cè)孔。同時(shí)針對(duì)島狀凍土特點(diǎn)，為監(jiān)測(cè)凍土島的退化情

12、況，在島狀凍土區(qū)K311+000路線左側(cè)天然地面(氣象觀測(cè)場(chǎng)內(nèi))布設(shè)一個(gè)15m地溫觀測(cè)孔。這兩個(gè)地溫觀測(cè)孔對(duì)研究多年凍土退化問題有著重要的意義，希望能持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，盡可能保留，延長(zhǎng)使用壽命。地下水凍土層的融蝕是研究?jī)鐾镣嘶蝗莺鲆暤囊粋€(gè)問題，為解決214線凍土島形成的基本條件及試驗(yàn)路段地下水影響系數(shù)，考慮到地下水融蝕對(duì)凍土層影響的深度最大為6m。因此在K310+220、K314+350、K317+250路線左側(cè)天然地面布設(shè)3個(gè)水文孔，測(cè)量水位變化及水溫垂直梯度變化，孔深56m。不同類型路面、路基高度對(duì)地溫有不同影響結(jié)果，在不同類型路面、路基高度選擇了9個(gè)橫剖面，分別在路基左、右路肩、路中心布

13、設(shè)測(cè)溫孔，能使不同天然地面進(jìn)行比較，同時(shí)在天然地面布設(shè)測(cè)溫孔。由于課題經(jīng)費(fèi)所限，橫剖面布設(shè)測(cè)溫孔為全剖面與半剖面兩種。路中心孔深度為1213m，路肩孔深度為0.88.5m，天然地面孔6.06.5m。地溫測(cè)量孔總計(jì)37個(gè)，總有效孔深337m，測(cè)溫點(diǎn)452個(gè)，測(cè)溫均采用高精度半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)測(cè)量，精度0.001°C，測(cè)量結(jié)果計(jì)算由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一完成。計(jì)劃地溫測(cè)量每年1、2、3、12月每月二次，每年4、5、6、7、8、9、10、11月每月三次，今后根據(jù)資料分析 ，觀測(cè)次數(shù)可適當(dāng)調(diào)整。3.2.3路基變形觀測(cè)本研究課題的最終目標(biāo)就是解決在退化性多年凍土地區(qū)的路基、路面修筑的技術(shù)難關(guān)。能最大限度的解決路基變形，也就是本研究課題的關(guān)鍵。因此，路基變形觀測(cè)在整個(gè)觀測(cè)網(wǎng)中有舉足輕重的作用。路基變形觀測(cè)選擇在9個(gè)測(cè)溫剖面前后40m范圍內(nèi)，每間隔4m埋設(shè)變形觀測(cè)點(diǎn)，同時(shí)路基橫向也設(shè)路基變形觀測(cè)點(diǎn)，每斷面布33個(gè)點(diǎn)，累計(jì)全試驗(yàn)路有297個(gè)變形點(diǎn)?？紤]到試驗(yàn)路是在老路基基礎(chǔ)上修筑而成形的，對(duì)于分層變形測(cè)量已沒有什么實(shí)際意義，故僅測(cè)量路基總變形量。路基變形觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)利用深度大于6m的天然地面測(cè)量觀測(cè)孔，路基變形觀測(cè)采用水準(zhǔn)儀，精度0.01m。觀測(cè)頻率同地溫觀測(cè)。4總結(jié)目前，試驗(yàn)路及觀測(cè)網(wǎng)已于1995年10月建成，并于1996年5月通過了由交通部科技司組織的技術(shù)鑒定。觀測(cè)網(wǎng)