路基工程冻土危害治理方法概述

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摘 要:随着青藏铁路和公路的建成和投入使用，工程上对冻土的防护与治理已经进入一个全新的阶段。本文对近期国际上对防治多年冻土新的研究成果进行了概括和总结，阐述了冻土灾害防治方法的基本原理，并对我国冻土路基病害治理的研究进行了展望。

关键词：多年冻土、内热阻、温度变化率

Abstract: As the Qinghai-tibet railway and highway construction and put into use, engineering on the protection and management of permafrost has entered a new stage. In this paper, recent international in the prevention of permafrost new research results was summarized and concluded, expounds the permafrost hazard prevention methods of basic principle for China's permafrost roadbed disease management study is forecasted.

Key word: permafrost; internal thermal resistance; temperature alteration ratio

中图分类号：S157.2文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）04-0020-0

1 引言

近50余年来,我国大批科研和工程技术人员致力于冻土路基工程研究和实践,开展了长期的研究工作,使我国冻土地区筑路技术取得了很大的进步和丰硕成果,产生了许多冻土路基工程的基础创新理论,形成了多年冻土地区的路基工程勘测、设计与施工的一套独特的技术。这些研究成果对青藏高原多年冻土地区公路工程建设起到了极为重要的指导意义,同时为建设青藏铁路奠定了坚实的理论和实践基础。2006年7月1日,青藏铁路格尔木至拉萨段的建成通车是冻土路基工程研究的重要里程碑,标志着我国冻土路基研究的进步和成熟,青藏铁路工程将我国冻土路基工程的研究和实践推进到一个新的高度。本文将回顾我国冻土路基工程研究的历史和现状,并提出了本学科未来的研究方向和需重点关注之处.

2冻土路基治理研究现状

2.1冻土路基设计理论

多年来,青藏和青康公路冻土区公路修筑的经验和教训表明,单纯依靠增加热阻(增加路堤高度、使用保温材料)保护冻土的方法是一种消极的方法。在气候转暖的背景下，这种方法难以保证青藏高原多年冻土区路堤的稳定性，特别在高温冻土区，大量的工程实践已证明，这种消极方法的成功率不高。程国栋在多年冻土分布研究中发现，局地因素影响可造成多年冻土的“异常”分布，局地因素通过影响辐射、对流和传导过程而影响冻土的地温，长期作用所形成的后果可决定多年冻土的存在与否。受此研究成果的启示，在青藏铁路建设中，程国栋等创造性地提出了冷却路基新思路，并设计了通过调控辐射、调控对流和调控传导实现冷却路基的一整套技术措施，从根本上为解决高温高含冰量多年冻土路基稳定性关键技术难题提供了科学途径。青藏铁路的建设很好地体现了“冷却地基”的原则，设计思想应由“被动保温”转向“主动降温”，工程大量采用块石路基、随时护坡、热管路基等具有“冷却地基”效用的新路基结构，确保了青藏铁路工程的顺利通车和正常运营。鉴于青藏铁路建设的复杂性和特殊性，马巍等提出了动态设计的新理念，并应用在青藏铁路工程实际设计当中，取得了良好的效果。青藏铁路的动态设计及信息化施工技术主要包括四个主要部分，即冻土铁路路基的观测环节、评价环节、预报及建议环节和管理环节。冻土路基设计的理论创新为将青藏铁路建设成世界一流的高原铁路奠定了坚实的理论础。

2.2冻土路基稳定性技术

冻土路基设计理论的创新催生了一大批新的冻土路基稳定性技术的诞生，而工程的大规模应用也为研究和评价新技术提供了广阔的舞台，相关的一系列重要研究成果相继在国内外冻土学权威刊物发表。从理论上讲，传热有3种基本形式，即传导、对流和辐射。通过改变路基结构或材料来调节路基与外界环境的任何一种或多种热交换方式均可有效地实现对路基温度场的调控。

调控传导的保温法是应用最早、最普遍的冻土路基稳定性技术，通过在路基内铺设隔热材料可以有效减少传入路基下多年冻土热量，延缓多年冻土升温和退化，减小路基下多年冻土的人为上限，从而对多年冻土区起到一定保护作用。20世纪70年代中期，我国在青藏高原风火山地区首次开展保温材料对路基稳定性影响的试验研究，1992年在青藏公路昆仑山越岭地段将保温材料铺设于实体道路工程进行试验研究。保温法作为一种被动保护冻土的措施，对路基下多年冻土有一定的保护作用，但是其隔冷、隔热的工程特性对路基工程有利也有弊，在全球转暖的背景下，可以延缓多年冻土的退化，但改变不了退化的趋势，特别不适宜在高温冻土区采用，保温法存在着一个适用范围的问题。温智等运用带相变热传导方程的有限元数值解法，基于年平均气温给出了多年冻土区青藏高原公路和铁路路基工程中EPS保温板的适用范围，并建议了保温板铺设的适宜位置、厚度、宽度和施工季节。

遮阳板(棚)是调控辐射的有效措施，对其长期效果的评价和研究是近几年来的热点。刘建坤等对遮阳棚的长期效果进行了室内模型试验研究，模型试验结果表明，遮阳棚可以有效地降低路基温度，使冻土的人为上限抬升。陈继等就青藏铁路阴阳坡太阳辐射量对比分析表明，青藏高原多年冻土区路基阴阳坡太阳辐射差异十分明显。冯文杰等针对遮阳板(棚)的应用效果进行了室内试验和数值分析表明，遮阳板(棚)是今后冻土区加固路基的有效措施之一。

对流调控是近几年研究最多的路基稳定性技术，许多研究者开展了大量的理论、室内外试验研究工作，发展的相关技术措施主要有块石路基、热管路基、通风管路基，并在青藏铁路、青藏公路等冻土区路基工程中广泛应用。研究发现，块碎石层的降温作用不仅与热边界条件有关，而且降温机理往往取决于边界特性(开放与封闭状态):顶部封闭或无风条件下块碎石层以自然对流降温为主，而顶部开放且外界有风的条件下以受迫对流降温为主。除了室内的试验研究，还开展了大量的块石路基模型试验、数值模拟和现场的实体试验以验证其致冷机理。热虹吸管技术(俗称热管)是20世纪60年代初发展起来的一种广泛用于土木工程中的无需外加动力源的冷冻技术，冻土区年平均气温低、冷季时间长，非常有利用热管的散热，在青藏铁路、青藏公路以及东北地区的输变电塔基工程中应用广泛。李永强等对热管在青藏高原风火山地区试验路基中的应用效果进行了分析研究，证实热管对降低基底温度、保护多年冻土具有较明显的效果。盛煜等采用带相变热传导有限元方法的热管路基温度场进行了模拟研究，结果表明热管路基可以抵消全球气候变暖的影响，可以保证路基下伏冻土不发生融化以保证路基的稳定性。温智等还对热管保温板复合结构路基在高温冻土区的适用性进行了模拟计算。通风路基也是通过调控对流来冷却路基的技术措施之一，我国科学家开展了一系列的室内模型试验和现场试验，对其冷却路基机理和效果进行了研究，并采用数值模拟的方法对全球变暖情景下的长期可靠性进行了模拟计算。俞祁浩等创造性地发明了加装温控隔热门的通风路基，有效改善了通风路基的降温能力和应用效果。

3 中国冻土路基研究展望

青藏铁路的建设为如何修筑多年冻土路基提供了广阔的试验平台,不论从冻土路基设计理论、计算理论、路基稳定性技术等方面,还是新材料、新技术使用方面都可使冻土区路基修筑技术发展迈上一个新台阶。虽然现有的冻土知识和冻土区路基修筑技术为寒区工程建设做出了很大贡献,但目前的研究更多的是瞄准国家需求而开展的应用研究,近年来我国在冻土基础理论方面投入的研究力量很有限。事实上,基础理论是应用研究的基础和关键,放松基础理论研究的冻土路基研究将会失去坚实的基础。在冻土的热质迁移方面,土冻结过程中所发生的复杂的物理、力学和化学现象和过程还不能很好的解释和模拟,更精准的仪器和设备有待于研制,创新的试验方法需要去发展块石路基、通风路基等在青藏铁路等工程中广泛采用,其降温机理和长期有效性尚待进一步的研究和认识,这方面的研究将为未来的冻土路基稳定性评价预测和病害整治提供有效的指导,也可以为以后冻土区其它工程建设提供有益的借鉴。迄今为止,冻土的水热力耦合问题已经开展了大量研究工作,已经提出了多个水热力耦合模型和水热耦合模型,但其中的部分耦合关系还没有完全建立起来,水热力耦合作用过和机理还有待进一步的研究和完善,模型参数的研究也是一个任重而道远的工作。

采用数值分析方法去研究冻土路基问题是近几年的热点,采用的数值计算方法有有限单元法、有限差分法、边界元法等,建立了众多的数值计算模型。数值模拟研究有经济、迅速的优点,可以在时间和空间尺度上拓展室内外试验研究成果,弥补室内外试验和监测的不足,可以根据现有资料预测预报未来,并给出一定可行度的研究结论。不过,众多的数值计算模型往往是研究者为解决特定的问题而设计,其方法和参数千差万别,应用的领域大多局限于研究领域,大多的数值模型缺乏有效的实际工程检验和验证,数值计算的成果可信度较差,往往不被工程界作为主要的工程决策依据。迄今为止,尚没有一款研究界和工程界广泛认可的冻土路基模拟平台,在模型的开发和集成方面还有待于进一步的努力。变量、参数和边界条件是数值研究的基础和关键,由于冻土基础理论水平和试验条件的限制,许多机理性问题尚未解决,参数和变量之间的相互影响还不能准确确定,所有这些都需要开展大量的室内外基础研究。

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