冻土病害会给多年冻土地区的工程建设带来不利影响,造成路基冻胀、翻浆、热熔沉降等问题。基于此,本文首先就冻土地区路基的特点及危害类型进行分析,其次阐述了其产生危害的原因,最后对多年冻土路基的处理措施作简单介绍,以期促进交通事业的发展。
在多年冻土区桥头路基的病害程度远远高于普通路基,这主要是由桥头路基更为复杂的非均匀受热状况引起的.桥头路基各面太阳辐射的差异性是引起桥头路基受热非均匀的重要原因.针对传统分析方法无法对桥头坡面太阳辐射情况进行分析的问题,基于太阳辐射强度和太阳运动随时间的变化规律,提出利用遮阳原理对桥头路基各表面的太阳辐射规律进行研究的方法.分析发现冻土区桥头路基侧面和顶面之间的辐射情况存在很大的差异,其差异性与路基的走向、边坡角度等因素密切相关,其中边坡角度越大其差异性越大,东西走向路基的差异性最大.桥头坡面的太阳辐射存在明显的非均匀性,表现为越靠近桥面的辐射越少,其分布规律与路基走向、坡面高度、坡面角度等因素相关.
冻土区路基各表面间太阳辐射的差异引起路基发生横向非均匀变形。目前所采用的基于太阳入射角的分析方法,未能充分考虑到冻土区高路基遮阳效应对周边冻土的影响,特别是在对路基坡脚附近冻土分析时与实际工况存在很大的偏差。基于太阳辐射强度和路基影子轨迹随时间的变化规律,提出利用遮阳理论分析路基表面太阳辐射的分析方法。通过对比K.Y.Kondratyev关于倾斜面接收太阳辐射的描述和工程实测数据,验证遮阳理论分析方法的正确性。基于遮阳理论提出直射率概念,并获得路基表面温度计算的经验方程。分析表明,冻土区路基各表面的太阳辐射之间存在明显的差异,其差异性与路基走向、坡度等影响因素密切相关。对于坡度较大的高路基,路基的遮阳效应也会引起路基周边冻土表面出现明显的非均匀太阳辐射,表现为越靠近路基坡脚辐射量越小,阴坡坡脚处辐射量小于阳坡坡脚处辐射量,这种太阳辐射的非均匀分布在路基的稳定性分析中应予以考虑。
为了分析评价遮阳网对冻土边坡的实际降温作用,建立了冻土边坡数值计算模型,将太阳辐射作用等效为气温增量,探讨了太阳辐射对冻土边坡的地温影响,计算了不同遮阳率下的边坡融深,并结合现场监测,得到了遮阳网的实际遮阳率以及对冻土上限的提升效果。
通过分析太阳辐射强度和旱桥桥面影子轨迹随时间的变化规律,建立时间、太阳辐射强度、太阳位置和影子轨迹关系的数学模型,并利用该模型对旱桥桥面遮阳效应进行研究。提出直射率概念表示周边冻土获得的太阳直接辐射能量的比例。研究发现旱桥的高度、走向、桥面宽度等因素对桥下及周边范围冻土的太阳直射率影响很大。随着旱桥高度的增加,桥面遮阳影响范围增大,遮阳中心直射率增大;随着旱桥宽度的增加,桥下及周边冻土的直射率降低;东西走向的旱桥桥下及周边冻土表面直射率非对称性最为明显。旱桥桥面的遮阳可以有效减少桥下及周边冻土的太阳辐射热量,同时也会引起桩基周边冻土表面非均匀太阳辐射受热,这种太阳辐射的非均匀性不可忽视,在旱桥长期稳定性分析中应予以考虑。
遮阳板碎石复合护坡是一种集碎石护坡和遮阳板护坡双重效用于一体的新型复合护坡结构,是一种很好的治理高温冻土区块碎石护坡路基病害的补强措施。基于遮阳板和块碎石单个工程措施降温机制的研究,通过对这种新型复合护坡路基的温度场和速度场特征以及降温过程的研究,提出新型复合护坡路基的降温机制。研究发现,封闭新型复合护坡的主要降温机制是:复合护坡中遮阳板有遮阳和挡风雪作用,碎石层有"热半导体"效应和"热屏蔽效应"(屏蔽遮阳板的二次辐射);开放新型复合护坡的主要降温机制是:遮阳板有遮阳、挡风雪作用,碎石护坡有"热屏蔽效应"(屏蔽热风和二次辐射)和"烟囱效应",遮阳板和碎石护坡组合的通道有"虹吸效应"、"狭管效应"和"烟囱效应"。研究成果完善和深化了新型复合护坡路基研究基础,而且对遮阳板和块碎石结构在青藏铁路或青藏公路中的应用提供科学依据和技术支撑。
基于青藏铁路路基遮阳棚工程的监测资料,结合室内模拟试验及计算,就该措施保护多年冻土地基的效果进行了分析。分析表明,遮阳棚通过遮挡太阳直接辐射、降低近地表气温和地表温度,进而降低了其影响范围内的土体温度,起到了保护冻土的良好作用。
青藏高原低纬度高海拔地区,太阳辐射是土体升温的直接热源,而带有融化潜热的雨水垂直渗流有加速下部冻结层融化的趋势。基于对辐射、避雨、保证蒸发散热边界条件等方面考虑,提出了一种积极主动的保持冻土路基稳定的措施——遮阳板路基。文内对这种新措施的工作机理进行了分析,并总结了试验实体工程设计与施工中存在的一些问题。通过对试验路段和对比路段观测、调查分析认为,遮阳板路基护坡是一种可行的保持路基稳定的积极有效的新方法。
在辐射强烈,路基单侧病害严重具有明显阴阳坡面的路段,遮阳板路基护坡作为保持路基稳定的主动调控措施被采用。在对试验工程近3年的观测资料分析基础上,将路基温度场和变形进行了对比研究,认为:遮阳板工程措施能大大减少板体下路基体吸热,显著抬升人为上限,降低上限附近土体温度,调控路基阴阳面吸热不均的差异,使路基温度场向有利于冻土稳定的趋势发展;棚室效应使得地温年振幅减小,减弱了冻胀、融沉、不均匀变形等病害的作用。试验证明,遮阳板工程措施是一种行之有效的保持冻土稳定的地温调控方法。
在青藏铁路和青藏公路的施工建设中,许多主动保护冻土的措施已经被采用,遮阳板就是其中有效的降温措施之一.由于青藏高原风速较平原地区大,且会对建筑物造成一定的破坏,所以文章以高原平均风速最大的地区-安多地区的风速条件为例对遮阳板的稳定性进行数值试验,从而得出合理的遮阳板的结构参数,为今后施工和维护提供了科学依据.