冻土162-181.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流冻土162-181.精品文档.2路堤基底的下沉量计算路堤基底最大融化深度内的总下沉量(5),包括多年冻土天然上限以上季节融化层的下沉量和上限以下的冻土因路堤填料蓄热影响而融化的厚度内下沉量的总和。在东北大小兴安岭地区,植被生长茂密,地表一般均有草皮泥炭等易压缩层,因此路堤基底的总下沉量(在融化季节施工时),一部分是草皮泥炭的压缩下沉和另一部分上限以下多年冻土的融化下沉和压缩下沉的总和。计算下沉量的目的,在于计算施工期间由于基底的下沉所增加的土方数量,以及在运营期间继续下沉时所需预先加宽路堤顶面的宽度,以便路堤下沉后抬高道床时,路基两侧路肩仍有
2、足够的宽度。根据现场实测资料,同一断面内各测点下沉量在大多数情况下都是向阳侧大于背阳侧,但其差值一般都不大于lOcm,下沉后的基底面基本上与原地面平行,为计算方便起见可以采用平均值。对嫩林线、牙林线既有路堤的钻探调查和试验路堤沉降观测资料的综合分析表明,路堤基底泥炭的总下沉量(包括融化下沉和压缩下沉)为基底融化厚度的30%一50%,一般可按40%进行估算即 S=40%H=0.4H (4-2) 式中 S-泥炭层的总下沉量,m; H-路堤基底泥炭层的最大融化深度,m。上式适用于泥炭层厚度大、最大融化深度处在泥炭层中的情况。当已知泥炭层的厚度及天然上限深度时,即可根据式(4-1)、式(4-2)计算出
3、基底的最大融化深度和泥炭的总下沉量。例已知表层泥炭厚1.0m,天然上限为0.5m,则:基底最大融化深度H=1.6Z=1.60.5=0.8m。小于泥炭厚度,即最大融化深度在泥炭层厚度内。基底总下沉量S=0.4H=0.40.8=0.32m。假若路堤基底下表层泥炭较薄,最大融化深度进入泥炭层下他土层时,基底总下沉量的计算详见第三章所述。(四)路堤基底施工中沉降断面面积及基底后期沉降和路基面每侧预留加宽1.路堤基底施工中沉降断面面积可用下式表示: A=BSn1 (4-3)式中 A 沉降断面面积,m2;B路堤基底宽度,m;S总下沉量,m;n1施工中沉降系数,见表4一3。2.基底后期沉降与路基面每侧预留加
4、宽填筑路堤后基底的沉降情况,据观测资料在施工的当年下沉量最大,一般均在总下沉量的60%以上。这主要与施工季节及路堤高度有关。春融后的七、八、九月,气温高,活动层己大部或全部融化,填料携带的热量大,基底吸收的热量多,因此在这一时期施工,当年的下沉量大,后期沉降量小。相反春融后的其他月份施工因气温较低,活动层仅少量融化,或地表已开始冻结,填料携带的热量少,基底吸收的热量少,当年的下沉量要少些。此外路堤的 高度越低,当年的下沉量越少。图4一6为嫩林线林海一碧水间试验路堤K134+060断面的沉降曲线图。该处路堤高度为2.30m,填料上部为砂黏土,下部为砂卵石。地表层泥炭厚0.8一1.3m,以下为砂黏
5、土含冰夹小碎石,融后流塑状,冻土上限0.4一0.8m。1967年5月29日起施工,自开始填土后,随着高度逐渐增加,下沉量亦迅速增大,当年8月15日填土达到设计高程,基底沉降量已大部完成。10月23日铺轨后至1968年8月下沉曲线较为平稳,冻结期间有微量回升,8月以后的融化期又有少量下沉,以后随着季节温度的变化,冻融交替,沉降曲线呈微小起伏,路堤已趋稳定,不再继续下沉。 由于施工中路堤基底的下沉不能全部完成,在路基成型后基底继续有少量的下沉,需要增铺道碴调整线路高程,为保证道床抬高后两侧有必要的路肩宽度,设计时应预留路基面加宽。其加宽值(五)基底保温层及保温护道的设置东北多年冻土地区,当路堤采取
6、保护多年冻土设计时,其保温措施之一就是在路堤基底铺设隔温层和在路堤的一侧或两侧设置保温护道。1.铺设基底隔温层填筑路堤后,基底植被及泥炭层受到压缩,厚度变薄,空隙减小,对保护冻土不利。因此,基底铺设隔温层,可以补偿路堤基底因表层植被及泥炭层受到压缩变薄及压实而导致的热传导性能增加。同时,亦可减少填土蓄热对基底的散热影响,起到对多年冻土的保温效果。东北大小兴安岭地表生长的塔头草及泥炭层,为良好的保温材料,泥炭的导热系数在饱和状态时仅为0.4605W/mK),干燥状态为0.1130W/mK),作为隔热材料可就地取材,造价低且施工简便。铺设厚度一般为0.2一0.3m。图4-7为基底铺设泥炭隔温层的多
7、年冻土路堤,在基底泥炭隔温层及两侧设置的保温护道共同影响下,基底人为上限上升明显。采用塔头草、泥炭层作为基底隔温层,虽然可以起到良好的保温效果,但从保护冻土自然环境考虑,今后新续建设应尽量采用工业保温材料作为基底隔温层(如聚胺脂和聚苯乙稀板等)。在塔头草沼泽地段则可采取对塔头草空隙反扣塔头草回填措施,同样可起到增强基底隔热性能的作用。但当塔头草空隙中生长苔薛类植物时,可不必再反扣塔头草回填。2.设置保温护道采取保护多年冻土设计的路堤,另一保温措施是设置保温护道,用以减少及削弱因热传导作用而引起的对多年冻土的影响。防止阳坡侧人为上限的下降和缓和阴坡侧人为上限上升的坡度,同时可以防止因人为活动对路
8、堤坡脚边缘地表的破坏。以黏性土填筑的保温护道并可阻挡和减少路堤坡脚处地表水渗人基底。图4-8为设置保温护道与未设置保温护道的路堤基底人为上限变化的对比。上述两断面相距96m,位于大片岛状多年冻土带内。其地质情况、路堤填料、线路走向大致相同。路堤高度有护道的3.4m,无护道的2.6m。基底人为上限变化对比见表4-4。另据调查嫩林铁路位于从不连续多年冻土带到零星岛状多年冻土带内的7处没有设置保温护道的路堤,其人为上限的位置均是阳坡侧下降阴坡侧与天然上限平或稍有上升。足以证明设置保温护道起到了保温防止基底冻土融化、保证路堤稳定的效果。护道材料宜根据“就地取材,方便施工”的原则,并结合防水综合考虑。采
9、用泥炭草皮或细粒土均可。在需要加强防水的地段以土护道为宜。护道结构尺寸如图4一9,并应综合下列因素确定: (1)当路堤的向阳、背阳侧区分明显时,向阳侧护道用大值或仅在向阳侧设置。(2)地面横坡陡于1:10,且向阳侧又处在下方时,下方侧护道用大值或仅在下方侧设置。(3)位于岛状多年冻土带中的路堤,路堤坡脚人为活动频繁(大型车站及林业局附近)的地段应取图4-9中最大值。20世纪50-70年代在嫩林、牙林铁路上,己施工的保温护道,大部以塔头草,泥炭填筑,其保温效果良好。但据铁路局工务部门反映,塔头草、泥炭护道,一般仅能保存10年左右,其后因腐朽、沉落和着火咱燃等原因逐渐减薄或消失,缺乏长期效应。而且
10、大量挖取塔头草、泥炭的土坑,日久易发展成热融湖塘,从保护冻土环境考虑,亦不宜挖取。20世纪90年代中期以后,铁路工务部门开始采用聚苯乙烯保温板替代已毁坏的泥炭护道,整治既有线的路基下沉病害,并己初见成效。建议在取得成熟可靠的经验后,推广采用以替代泥炭、塔头草护道。在低洼积水的塔头草沼泽地段和人为活动频繁的地段,从防水和保护路堤坡脚地表考虑,还以填筑黏性土护道为好。(六)填料的选择路堤填料有岩块 粗粒土及细粒土。岩块包括块石类及碎石类(卵石土、碎石土)。粗粒土包括砾石类(砾石土、砂砾)及砂类(砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂)。细粒土包括粉土类(砂粉土等)及粘土类(砂黏土等)。作为多年冻土地区路基的
11、填料,各有其优缺点。岩块和粗粒土含水量要比细粒土小(细粒土的表面能大,其持水能力强)。在相同的气候条件下,含水量小的粗粒土在冬季散失的热量小,而潮湿的细粒土在冬季散失的热量大。土颗粒的粗细又决定着土的渗透性能,粗粒土的渗透性能较好,因此夏季雨水渗入粗粒土携带的热量要较细粒土多。以细粒土作填料时,一般填筑比较紧密,孔隙度小,空气充量小,基本上是以土颗料本身进行热传导。热传导的速度慢。而以岩块的碎块石,卵石土及粗颗粒土的砾石土等填筑时,一般孔隙度较大,空气在空隙中易产生对流,因而增强了热传导性能,夏季易于吸热,冬季易于放热,使热源能量传递较深。上述热传导性能的差别,是由于粗粒土与细粒土热物理状态的
12、不一致性,因为热容量不同,因此在冻融交替过程中,在吸热散热速度上、时间上均不相同。嫩林线试验路堤的地温观测资料表明,填土第二年的融化速度,以砂卵石填筑的路堤在8月以前,每月融化1.0-1.4m;以砂黏土填筑的路堤每月融化0.4-1.3m。而冻结速度,以砂卵石填筑时为每月1.0-1.5m,以黏性土填筑时为每月0.5-1.1m。地温观测并表明,填砂黏土的地温要比填砂卵石为低。地温的回升速度填黏性土的较填砂卵石的明显。在东北大小兴安岭多年冻土地区,除沼泽湿地外,缓山坡及洪积阶地上一般为碎石夹土或砂黏土夹碎石,河流冲积阶地的地表砂黏土层下多为砂砾及卵石土,这些均是良好的填筑材料。在做好地表排水的前提下
13、,用粗粒土或细粒土作填料对保护基底冻土无明显的区别,填料类别一般不起控制作用。因此除有特殊要求者外,宜采取因地制宜、就近取土的原则,以方便施工,降低造价。但对排水困难的厚层地下冰地段应考虑在底部填筑一定厚度的黏性土,在冻土沼泽地段应在底部填渗水土作为毛细水隔断层。以防止地表水渗人基底造成路基融沉或因毛细水作用而造成冻胀病害。图4-10为粗粒土填筑的路堤,图4-11为细粒土填筑的路堤,经实测,在地表排水良好的情况下基底人为上限均稍有上升,路堤稳定无病害。(七)低路堤的人为上限变化状况及路堤的最小高度1.低路堤的人为上限变化状况 (1)路堤填土高度过低时,由于地表泥炭层的压缩,保温性能减弱,填土后
14、导热性能增大,太阳辐射热易向下传递,热交换作用强烈,使基底冻土人为上限下降。铁三院在牙林线潮莫段的路基调查结果表明,位于不连续多年土带中的16处路堤基底人为上限下降的断面中,11处路堤高度和五处高度的路堤人为上限均下降。低路堤由于填土低,整个路堤的受热面积小,坡面的水平热流影响亦小,阳坡表面吸收的太阳辐射热仅略大于阴坡侧,因此路堤两侧的地温很接近,其地温曲线如图4-14所示。两侧路肩处的基底下人为上限的下降幅度相近似,说明低填路堤的坡面朝向对基底两侧人为上限的变化影响很小。2.路堤的最小高度路堤的最小高度(或称路堤的下临界高度),即采取保护多年冻土原则设计路堤时,能使基底人为上限维持在原天然上
15、限位置的最小高度。在多年冻土上修筑路堤,只要满足最小高度,并采取综合的保温措施后,一般人为上限最终均能较天然上限有所上升,或保持在原来天然上限的位置。因此,为保持路基稳定,防止基底人为上限下降,需要确定路堤的最小高度。 确定路堤的最小高度时,需要考虑多种因素。它既与路堤所处的区域气候密切相关,又与填料类别、地表下泥炭层厚度及以下的冻土介质特性和采取的保温措施有关。但其中主要因素是区域气候的影响。路堤最小高度的确定,国内外有的采用公式计算确定,但一般都根据调查资料经统计分析后得出。如前苏联根据调查资料统计得出在多年冻土连续分布的北部地区路堤的最小高度为0.7-0.8m,中部和南部地区为1.0-1
16、.1m,岛状冻土分布的南部地区为1.7m。加拿大没有国家统一规定,各公司有自己的设计标准,一般采用1.0-2.0m,填料以粗颗粒(碎石、砾石、粗砂等)为主。美国亦无详细的计算公式,美国费安公路根据筑路经验得出最小路堤高度为1.2-1.8m。用碎石、卵石填筑的最小高度为1.0一3.0m。我国青藏线确定的用黏性土填筑的路堤最小高度按四个不同的多年冻土分区分别为:低温稳定区1.5m,低温基本稳定区1.9m,高温不稳定区2.3m,高温极不稳定区大于2.5m(注:根据青藏铁路高原冻土区工程设计暂行规定)。东北多年冻土地区根据既有铁路的大量调查资料(填料为土夹碎石或碎石夹土),经统计分析,提出了路堤最小高
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