青藏高原多年冻土区公路工程地质稳定性分区研究.pdf

基金项目青海省科技厅基础研究计划面上项目()通讯作者徐安花()女研究员主要研究方向:寒区道路工程青藏高原多年冻土区公路工程地质稳定性分区研究徐安花 陈继 李元吉 马建华(.青海交通职业技术学院 西宁.中国科学院西北生态环境资源研究院 兰州)摘 要:本文对青藏公路年平均地温、含冰量和多年冻土区公路病害的相关性开展了统计分析将多年冻土工程地质条件划分为稳定、较稳定、不稳定和极不稳定四种类型 以 线青藏公路、线青康公路、天峻 木里公路为例基于三条公路典型病害数据和病发路段工程地质条件的对照分析验证了本文多年冻土工程地质稳定性分区方案的可靠性并依据该分区方案划分了 沿线多年冻土工程地质条件 上述分区方案和分区结果可望为该区域公路工程建设提供参考关键词:青藏高原多年冻土公路工程工程地质稳定性分区 (.):.:冻土工程地质条件划分现状目前我国对冻土工程地质条件实行三级区划体系:第一级主要考虑冻土层的地带性分布规律并依此为原则将冻土工程地质条件划分为季节冻土区、不连续岛状多年冻土区和连续大片多年冻土区第二级主要考虑公路沿线所穿越的地形、地貌 第 期青海交通科技和地质构造因此各条公路的亚区分类一般划分为中高山亚区、低山丘陵亚区和河谷平原亚区第三级以冻土工程性质作为划分依据 第三级划分方案决定着冻土地区工程建设的设计、施工原则、施工措施和部分参数因此第三级工程划分标准最具工程实践意义 但在三级区划的划分方法和结果方面目前仍存在较大分歧尚无统一的标准冻土路基工程对多年冻土区的公路工程地质稳定性分区进行了系统总结从冻土的平面分布特征、土质特点将冻土工程地质条件划分为良好、一般、不良和极差四类 在此基础上冻胀系数、融沉系数被引入作为划分上述四类分区的依据同时将一般工程地质地段纳入较好冻土工程地质地段 这为冻土工程地质条件的评价、冻土地区工程设计和施工提供了重要的参考依据但是上述分类方案尚存在不足之处:一是对定性指标的考虑较多定量指标不充足或者没有明确二是分类方案并未依据公路的实际病害主要基于对以往工作经验的认识三是分类方案中没有考虑年平均地温 在评价冻土的稳定性时将冻土的稳定性划分为极不稳定多年冻土(.)、不稳定多年冻土(.)、亚稳定多年冻土(.)和稳定多年冻土(.)的基本依据是年平均地温 冻土工程地质勘察规范()中三级区划依据冻土的含冰量、物理力学和热学性质三项指标划分但在二级指标中增加了对冻土地温带的阐述并重新界定了各地温带的地温区间规范规定:.的为稳定带.的为基本稳定带.为不稳定带.为极不稳定带 该规范虽为冻土工程地质条件的评价提供了更为详细的评价内容、进一步量化的评价指标但仍未能直接体现工程地质条件和公路路基病害之间的关系在指导多年冻土地区公路设计、施工和公路病害防治方面不够直观、具体 基于公路路基病害的冻土工程地质条件分区 公路病害对冻土特征的敏感性分析指出在路基病害、路面病害和路基路面病害三种类型的病害中路基病害对冻土特征的敏感度最大 因此如果以现场的路基病害调查结果为依据划分冻土工程地质条件应综合冻土含冰量、地温指标这一划分方案将更符合现场实际为此按照冻土含冰量和冻土地温将 线青藏公路多年冻土段共分为 个小区(如表)并对各个小区的路基病害(路基病害的含义同上是一个叠加值并非实际病害率)逐一分类统计结果如图 所示表 中冻土特征分类采用参考文献 和 所给出的标准图 中所列出的为 年 年、年和 年三次青藏公路路堤病害调查结果表 线青藏公路多年冻土段分区一览冻土分区 .分段长度().冻土分区.分段长度().冻土分区.分段长度().冻土分区.分段长度().注:融土年平均地温在 .的少冰冻土年平均地温在.的少冰冻土年平均地温在.的少冰冻土年平均地温低于.的少冰冻土年平均地温在 .的多冰冻土年平均地温在.的多冰冻土年平均地温在 .的多冰冻土年平均地温低于 .的多冰冻土年平均地温在 .的富冰冻土年平均地温在.的富冰冻土年平均地温在.的富冰冻土年平均地温低于.的富冰冻土年平均地温在 .的饱冰冻土年平均地温在.的饱冰冻土年平均地温在.的饱冰冻土年平均地温低于.的饱冰冻土年平均地温在 .的含土冰层年平均地温在.的含土冰层年平均地温在.的含土冰层年平均地温低于.的含土冰层青海交通科技 第 期 从表 中可以看出青藏公路各冻土分区长度并不相同最大分区为融区长度达.、.、.、.和 .分区长度较小 .、.、.和 .分区甚至由于长度较小在统计表中显示为零图 冻土特征分类与路基病害 分析图 可知:多年冻土路段所有分区中少冰冻土段的病害率最低公路工程中可不考虑少冰冻土对路基的不利影响在多冰和富冰冻土区不稳定多年冻土、过渡多年冻土和亚稳定多年冻土段的路基病害率较高在饱冰和含土冰层多年冻土地区几乎各种地温类型的路基病害均较高应采用主动保护多年冻土的措施在多年冻土地区的融区也存在路基病害但病害率较小图 中路基病害率是波浪病害率、沉陷病害率和路基纵向裂缝病害率三者的叠加因此与实际病害率差距较大 为较真实地反映路基病害假设这三类病害是重合的则路基病害等于这三类病害的算术平均值 实际上由于路基沉陷病害是多年冻土地区的主要病害也是导致路基发生波浪和纵向裂缝的主要原因因此路基的沉陷病害率要大于波浪和纵向裂缝病害率 这在青藏公路病害调查中也可反映凡是发生波浪沉陷纵向裂缝病害的路段基本上均不同程度地发生了路基沉陷病害 因此如果用路基沉陷病害指标代替上述计算得到的路基平均病害去划分公路工程的冻土工程地质条件将更加真实地反映路基的稳定状况 路基沉陷病害在青藏公路沿线各个分区的病害率如图 所示图 冻土特征分类与路基沉陷病害 借鉴以往的冻土工程地质条件划分方法沉降量达到 表示路基出现沉陷病害 在考虑冻土含冰类型和年平均地温的前提下按路基沉陷病害率 稳定 .稳定较稳定不稳定极不稳定极不稳定.稳定较稳定不稳定极不稳定极不稳定.稳定较稳定不稳定不稳定不稳定.稳定稳定较稳定不稳定不稳定 和图 中数据相比表 中的分区方案和实际调查结果有一定出入譬如.、.等路段 受到道路养护时间不同、勘察孔间距较大等因素影响现场调查结果可能与冻土特征存在不一致之处而分区方案则是在综合考虑上述因素影响基础上所给出的因此上述分区方案更能反映真实的冻土工程地质稳定性条件 多年冻土工程地质稳定性分区方案的验证冻土工程地质稳定性分区方案是在借鉴以往经验的基础上综合考虑冻土含冰量和地温的前提下以路基沉陷病害为依据进行划分的结果 但该分区的基础数据均依据 线青藏公路路基沉陷病害的调查结果因此这一分区结果能否与其他公路路基病害相匹配仍需进一步验证()青藏公路、青康公路路基纵向裂缝分析通过现场调查发现路基纵向裂缝病害主要发生在路基沉陷路段与以路基沉陷病害为划分依据的工程地质分区结果具有较好的对应性 线青藏公路和 线青康公路上纵向裂缝严重路段的多年冻土发育特征分析如表 所示表 线青藏公路和 线青康公路纵向裂缝严重路段的多年冻土发育特征线路名称里程范围长度()冻土含冰类型冻土地温()冻土工程地质稳定性线青藏公路 .极不稳定 .极不稳定 .极不稳定 .极不稳定 .不稳定 .不稳定 .极不稳定 .不稳定 .不稳定 .较稳定 .极不稳定 .不稳定 .极不稳定 .极不稳定 .不稳定 .不稳定 .不稳定 .极不稳定 .极不稳定 .极不稳定青海交通科技 第 期续表:线路名称里程范围长度()冻土含冰类型冻土地温()冻土工程地质稳定性线青康公路 .极不稳定 .极不稳定 .极不稳定 从表 可以看出 线青藏公路共有 处发生了严重的纵向裂缝绝大部分处于不稳定和极不稳定冻土工程地质条件区域仅有 处位于较稳定冻土工程地质条件区域而被调查的 线青康公路共有 处纵向裂缝严重路段均位于极不稳定冻土工程地质条件区域()青藏公路、天峻木里公路沉陷病害分析根据以往对 线青藏公路路基沉陷病害的统计分析处于稳定和较稳定多年冻土路段并未发生过一次严重沉降而富冰冻土路段的重度沉陷面积为 饱冰冻土路段的重度沉陷面积为含土冰层路段的重度沉陷面积为 天峻木里公路的路基沉陷病害规律与此相似(详见表)几乎所有的沉陷病害均位于不稳定和极不稳定冻土路段表 天峻木里公路沉陷病害与多年冻土特征关系里程范围长度()含冰类型年平均地温()冻土工程地质条件 .不稳定 .极不稳定 .不稳定 .极不稳定 .极不稳定 .极不稳定 .极不稳定 .极不稳定 .极不稳定 ()公路翻浆病害与分区方案的对应性分析公路翻浆病害主要与路基内的水、热、土质条件密切相关 如果路基填料以粉土、粉质黏土等细颗粒土为主填料含水量较大并且经历多次冻融循环作用此时路基的承载力较低不能有效扩散路面传来的行车荷载 在车辆的反复碾压作用下路面先被破坏翻浆病害也随之产生 因此翻浆问题在季节冻土区和多年冻土区均有发生但在多年冻土区更加凸显 天峻木里公路翻浆路段的多年冻土特征如表 所示 由于该地区气候干旱降雨较少路基下多年冻土的特征对公路翻浆病害具有重要影响因此所有翻浆路段的冻土工程地质条件均为不稳定或极不稳定表 天峻木里公路翻浆路段多年冻土特征里程范围长度()含冰类型年平均地温()冻土工程地质条件 .不稳定 .极不稳定 .极不稳定 .极不稳定 .极不稳定 第 期青海交通科技 多年冻土工程地质分区方案在 线的工程应用 根据公路病害与冻土特征之间的关系及上述冻土工程地质条件分区方案对 沿线的不良冻土工程地质条件进行了划分分类结果见表 表 线冻土工程地质条件分区评价结果里程范围长度()冻土含冰类型冻土地温()冻土工程地质稳定性备注 .不稳定 .不稳定 .不稳定 .不稳定 .不稳定 .不稳定河卡山 .极不稳定 .不稳定 .不稳定额拉山 .不稳定姜路岭 .不稳定 .极不稳定 .不稳定醉马滩 .不稳定花石峡 .、.极不稳定长石头山 .、.极不稳定 .不稳定多钦安克朗 .极不稳定黄河沿 .极不稳定野马滩 .不稳定野牛滩 .不稳定 .极不稳定野牛沟 .、.极不稳定龙根查依玛段 .、.极不稳定查拉坪 .不稳定 .、.极不稳定巴颜喀拉山 .不稳定 .、.极不稳定 .、.极不稳定 .不稳定 .、.极不稳定查农穷 .不稳定 .不稳定 .、.极不稳定 .不稳定 .、.极不稳定清水河 青康公路沿线 不连续多年冻土地区穿越多年冻土段公路累计里程为.其中青海交通科技 第 期稳定和较稳定多年冻土段.不稳定多年冻土段.极不稳定多年冻土段.分别占实际多年冻土段长度的.、.、.结语本文在借鉴以往分类经验的基础上以多年冻土区公路实际病害为依据以冻土地温、冻土含冰类型为控制指标将多年冻土区公路工程冻土工程地质条件划分为稳定、较稳定、不稳定和极不稳定 种类型并明确了各类型冻土工程地质条件所对应的冻土地温和含冰类型这一分区方案得到了 线青藏公路、线青康公路和其他几条多年冻土区公路病害调查结果的验证并依此分区方案划分了 线青康公路的冻土工程地质条件 上述冻土工程地质条件分类方案可望为 线青康公路、共和玉树高等级公路等高原冻土区已有公路工程的运维和待建工程的选线、勘察、设计、施工提供支撑参 考 文 献 周幼吾邱国庆郭东信等.中国冻土.北京:科学出版社.冻土工程地质勘察规范.北京:国家林业局.吴紫汪程国栋朱林楠等.冻土路基工程.兰州:兰州大学出版社.张长庆.对“多年冻土的工程分类”一文的商榷意见.冰川冻土():.冻土地区建筑地基基础设计规范.北京:中国建筑工业出版社.张建明刘永智吴青柏等.公路工程冻土类型划分研究.西安公路交通大学学报():.张建明.青藏高原冻土路基稳定性及公路工程多年冻土分类研究.北京:中国科学院研究生院.刘永智吴青柏张建明等.青藏高原多年冻土地区公路路基变形.冰川冻土():.南卓铜李述训刘永智.基于年平均地温的青藏高原冻土分布制图及应用.冰川冻土():.冻土工程地质勘察规范.北京:国家林业局.徐安花.多年冻土区公路病害对冻土地温和含冰类型的敏感性分析.冰川冻土():.陈继.多年冻土地区路堤典型沉陷病害研究.北京:中国科学院研究生院.第 期青海交通科技