1、作品名稱作品名稱：基于互聯(lián)網(wǎng)基于互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)平臺(tái)的多年凍土區(qū)路基病害資源庫(kù)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的多年凍土區(qū)路基病害資源庫(kù)系系 部：部： 鐵道工程系鐵道工程系 負(fù)負(fù) 責(zé)責(zé) 人：人： 張亮張亮 聯(lián)系方式：聯(lián)系方式：成員名單：成員名單： 王姣姣王姣姣 張亮張亮 袁巖松袁巖松 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 王鐵權(quán)王鐵權(quán) 周永勝周永勝 目錄一、一、 1、凍土區(qū)路基相關(guān)資料 2、數(shù)據(jù)庫(kù)建立的意義二、二、三、三、四、四、 五、五、一、研究背景一、研究背景 1、凍土區(qū)路基相關(guān)資料、凍土區(qū)路基相關(guān)資料1.1 我國(guó)多年凍土現(xiàn)狀我國(guó)多年凍土分布廣闊，總面積約215萬(wàn)平方公里，其主要分布在青藏高原、東北大、

2、小興安嶺和松嫩平原北部及西部高山等地，如圖1.1所示。青藏高原多年凍土區(qū)是世界上中、低緯度地帶面積最廣、厚度最大、溫度最低的多年凍土區(qū)，其面積約150萬(wàn)平方公里，約占中國(guó)多年凍土區(qū)總面積的70%。 我國(guó)在多年凍土區(qū)道路建設(shè)方面投入了大量的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行科學(xué)研究和工程實(shí)踐，取得了一系列技術(shù)成果，然而，多年凍土地區(qū)長(zhǎng)期低溫、晝夜溫差大、紫外線輻射強(qiáng)，惡劣的自然環(huán)境條件致使道路產(chǎn)生大量縱向裂縫、不均勻沉降等病害，嚴(yán)重降低了道路的質(zhì)量和服務(wù)水平。1.2 凍土區(qū)路基研究現(xiàn)狀 路基熱穩(wěn)定性是凍土區(qū)路基穩(wěn)定的前提條件，熱穩(wěn)定性的變化會(huì)誘發(fā)路基結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，引發(fā)一系列路基路面病害。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)凍土熱融展

3、開了一系列研究，吳青柏27等人建立了評(píng)價(jià)多年凍土熱融蝕敏感性定量評(píng)價(jià)模型，根據(jù)青藏公路沿線的地溫監(jiān)測(cè)資料，用定量評(píng)價(jià)模型分析了工程活動(dòng)對(duì)多年凍土環(huán)境影響的敏感性變化。研究結(jié)果表明：凍土熱融蝕敏感性與多年凍土溫度、地溫呈指數(shù)關(guān)系，與季節(jié)融化深度呈對(duì)數(shù)關(guān)系。1.3、凍土概念、凍土概念 在嚴(yán)寒地區(qū)，地面以下一定深度的地溫常年保持在在嚴(yán)寒地區(qū)，地面以下一定深度的地溫常年保持在0以下，土中含有冰，這類土稱為凍土。含冰的土持續(xù)以下，土中含有冰，這類土稱為凍土。含冰的土持續(xù)2年年或或2年以上不融化，稱為多年凍土。凍結(jié)時(shí)間少于年以上不融化，稱為多年凍土。凍結(jié)時(shí)間少于2年的可年的可稱為：隔年凍土，季節(jié)凍土，短時(shí)

4、凍土。我國(guó)多年凍土分稱為：隔年凍土，季節(jié)凍土，短時(shí)凍土。我國(guó)多年凍土分布很廣，主要集中在東北的大、小興安嶺、松嫩平原北部、布很廣，主要集中在東北的大、小興安嶺、松嫩平原北部、青藏高原、祁連山、天山等西部高山上，多年凍土區(qū)面積青藏高原、祁連山、天山等西部高山上，多年凍土區(qū)面積215萬(wàn)萬(wàn)km2，占全國(guó)總面積的，占全國(guó)總面積的1/5。1.4、凍土區(qū)路基結(jié)構(gòu)形式、凍土區(qū)路基結(jié)構(gòu)形式 多在路基工程中破壞了多年凍土的熱平衡條件后，常多在路基工程中破壞了多年凍土的熱平衡條件后，常用人工建筑材料保持多年凍土的凍結(jié)，叫做用人工建筑材料保持多年凍土的凍結(jié)，叫做保溫法保溫法。 在多年凍土地區(qū)的邊緣，若多年凍土層不厚

5、，溫度高在多年凍土地區(qū)的邊緣，若多年凍土層不厚，溫度高而不穩(wěn)定，則挖除凍土，使路基坐落在可靠的基底上，叫而不穩(wěn)定，則挖除凍土，使路基坐落在可靠的基底上，叫做做破壞凍土法破壞凍土法。2、數(shù)據(jù)庫(kù)的建立意義、數(shù)據(jù)庫(kù)的建立意義 數(shù)據(jù)資源庫(kù)數(shù)據(jù)資源庫(kù)相關(guān)技術(shù)研發(fā)成熟以后，可以向相關(guān)技術(shù)研發(fā)成熟以后，可以向相關(guān)施工單位提供其所需的技術(shù)資料，數(shù)據(jù)查詢相關(guān)施工單位提供其所需的技術(shù)資料，數(shù)據(jù)查詢可通過(guò)可通過(guò)APP,網(wǎng)頁(yè)網(wǎng)頁(yè)，公眾平臺(tái)公眾平臺(tái)等各種方式按要求進(jìn)等各種方式按要求進(jìn)行操作。數(shù)據(jù)資源庫(kù)包含多年凍土區(qū)路基病害原行操作。數(shù)據(jù)資源庫(kù)包含多年凍土區(qū)路基病害原因及其治理方式，施工單位可根據(jù)自身需求進(jìn)行因及其治理方

6、式，施工單位可根據(jù)自身需求進(jìn)行不同種選擇，其資源覆蓋國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)治理凍土成不同種選擇，其資源覆蓋國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)治理凍土成功案例，將其系統(tǒng)的整理成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化，真正意功案例，將其系統(tǒng)的整理成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化，真正意義上達(dá)到方便，有效，徹底根除其危害的作用。義上達(dá)到方便，有效，徹底根除其危害的作用。數(shù)據(jù)庫(kù)使用方便，快捷；選用各種案例及各項(xiàng)維數(shù)據(jù)庫(kù)使用方便，快捷；選用各種案例及各項(xiàng)維護(hù)處理等多重?cái)?shù)據(jù)組合而成；可重復(fù)利用，使用效護(hù)處理等多重?cái)?shù)據(jù)組合而成；可重復(fù)利用，使用效率高；率高； 針對(duì)各地區(qū)及其生態(tài)自然環(huán)境所造成的不同針對(duì)各地區(qū)及其生態(tài)自然環(huán)境所造成的不同種凍土病害都可進(jìn)行施工與維護(hù)；所有數(shù)據(jù)整理結(jié)種凍土病害都

7、可進(jìn)行施工與維護(hù)；所有數(shù)據(jù)整理結(jié)構(gòu)化、易于推廣；減少由道路病害產(chǎn)生的維修費(fèi)用，構(gòu)化、易于推廣；減少由道路病害產(chǎn)生的維修費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。經(jīng)濟(jì)效益顯著。二、線路沿線氣候及凍土分布二、線路沿線氣候及凍土分布 1.1、沿線氣候、沿線氣候 青藏高原沿線氣候青藏高原沿線氣候青藏高原氣候環(huán)境青藏高原氣候環(huán)境1.2、青藏高原多年凍土區(qū)道路沿線凍土類型及分布、青藏高原多年凍土區(qū)道路沿線凍土類型及分布1.2、青藏高原多年凍土區(qū)道路沿線凍土類型及分布青藏高原多年凍土區(qū)道路沿線凍土類型及分布 1.3 青藏高原多年凍土區(qū)道路典型結(jié)構(gòu)青藏高原多年凍土區(qū)道路典型結(jié)構(gòu)藍(lán)藍(lán)色為色為多年凍土多年凍土； 紫紫色為色為季節(jié)凍土季

8、節(jié)凍土；黃黃色為色為短時(shí)凍土短時(shí)凍土； 綠綠色為色為非凍土非凍土。1.4、凍土類型分布、凍土類型分布三、多年凍土區(qū)已有結(jié)構(gòu)三、多年凍土區(qū)已有結(jié)構(gòu)路基引發(fā)路面縱向開裂路基引發(fā)路面縱向開裂路基不均勻變形導(dǎo)致路面波浪變形路基不均勻變形導(dǎo)致路面波浪變形四、凍土路基的病害與防治措施四、凍土路基的病害與防治措施 1、病害、病害 1) 融沉 融沉，也稱融化下層，指土中過(guò)剩冰融化所產(chǎn)生的水排出以及土體的融 化固結(jié)引起的局部地面的向下運(yùn)動(dòng)，是自然(如氣候轉(zhuǎn)暖)或人為因素(如砍伐與焚燒樹木、房屋采暖)改變了地面的溫度狀況，引起季節(jié)融化深度加大，使地下冰或多年凍土層發(fā)生局部融化所致。在多年凍土上限附近的細(xì)粒土和有一

9、定量細(xì)粒土充填的粗粒土中往往存在厚層地下冰，由于其埋藏淺，所以很容易受各種人為活動(dòng)的影響而融化。由厚層地下冰融化而產(chǎn)生的融沉是引起多年凍土區(qū)路基變形和破壞的主要原因。 路堤修筑后改變了表面的水熱交換條件，并引起基底土層壓縮等一系列變化。這些變化在一定條件下使上限(指多年凍土上限，為多年凍土層的頂面，也是地表以下位置最深的凍融土層的界面)下降。2) 凍脹 凍脹是凍土區(qū)筑路時(shí)需要考慮的另一個(gè)重要問(wèn)題。一般情況下，在低溫凍土區(qū)，活動(dòng)層厚度一般較小，且存在雙向凍結(jié)，凍結(jié)速度較快，故凍脹相對(duì)較輕。而在高溫凍土區(qū)，活動(dòng)層厚度一般較大，凍結(jié)速度也較低，如存在粉質(zhì)土和足夠的水分則凍脹嚴(yán)重。 由于路基填筑材料的

10、不均勻，或不同巖性和水文地質(zhì)條件地段路基過(guò)渡處理不當(dāng)，可能引起不均勻凍脹，使線路在乎縱斷面上失去平順性。用粉質(zhì)土和黏性土填筑的路基，由于凍結(jié)時(shí)的水分遷移可能在上部聚冰而引起翻漿。3) 融凍泥流和滑塌 融凍泥流和滑塌多發(fā)生在有厚層地下冰分布的斜坡上。它可以由工程施工、挖方取土等人為活動(dòng)引起，也可以由自然因素(如河流侵蝕坡腳、氣溫升高)引起。由融凍泥流和滑塌形成的稀泥物質(zhì)向下流動(dòng)，可能掩埋道路，壅塞橋涵，加速路基的軟化濕陷。當(dāng)線路通過(guò)越嶺地段時(shí)，要特別注意這些問(wèn)題。4) 冰錐、凍脹丘 冰錐俗稱涎流冰，指水多次溢出地表凍結(jié)而所形成的地面冰體。分布于多年凍土和季節(jié)凍土區(qū)。其形成條件為：具有不凍的水源、

11、水的通道、水的驅(qū)動(dòng)力和嚴(yán)寒的氣候條件。按其水源分為河冰錐、湖冰錐和采冰錐。絕大部分冰錐是季節(jié)性的。工程建筑時(shí)，若建筑物攔截了地下水的通道，又未處理好排泄通道時(shí)，也會(huì)在建筑物附近形成冰錐，從而危害建筑物。由土的差異凍脹作用所形成的丘狀地形，總稱凍脹丘。冰錐和凍脹丘是多年凍土區(qū)道路工程中最經(jīng)常遇到的不良凍土現(xiàn)象。5) 熱融湖塘和沼澤化濕地 熱融湖塘在青藏公路沿線分布較廣，在楚瑪爾河高平原上尤為集中。一般熱融湖塘下仍有多年凍土存在。公路通過(guò)熱融湖塘?xí)r要注意路基凍脹和沉陷的不均勻及邊坡陷裂等問(wèn)題，同時(shí)湖塘積水也容易引起路基濕軟，加劇凍脹和沉陷。 沼澤化濕地地段一般厚層地下冰發(fā)育，線路通過(guò)時(shí)應(yīng)注意上部草

12、炭和泥炭層的壓縮問(wèn)題，在這類地段筑路時(shí)要特別注意保護(hù)植被，作好排水和保證足夠的路堤高度，必要時(shí)可加設(shè)保溫護(hù)道。 1）熱棒路基）熱棒路基 2）通風(fēng)管路基）通風(fēng)管路基 3）填石路基）填石路基 4）保溫板路基）保溫板路基 5）復(fù)合式路基）復(fù)合式路基 6）遮陽(yáng)板）遮陽(yáng)板/棚路基棚路基 7）以橋代路）以橋代路 2、 防治措施防治措施 2. 1 預(yù)防性措施 設(shè)計(jì)通暢的地表排水系統(tǒng) ,以確保路基不受地表水的侵害 ,注意在秋末宣泄路基基床附近的積水 ,初春清除積雪。及時(shí)清篩臟污的道床 ,整治道碴陷槽 ,防止道床積水。新線路基要嚴(yán)格使用規(guī)范規(guī)定的填料填筑基床 ,土質(zhì)不良的路塹地段應(yīng)采取換填或改良土質(zhì)等措施。如遇

13、地下水豐富 ,應(yīng)同時(shí)考慮降低地下水水位的措施。 2. 2 導(dǎo)溫措施 2. 2. 1 基床保溫措施 基底鋪設(shè)隔溫層 ,可以補(bǔ)償路堤基底因表層植被及泥炭受到壓縮變薄及壓實(shí)而導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)性能增加 ,亦可減少填土蓄熱對(duì)基底的散熱影響 ,起到保溫效果。隔溫材料的種類 ,國(guó)外有采用泡沫塑料隔熱板材的 ,但造價(jià)較高。東北大小興安嶺地表生長(zhǎng)的塔頭草及泥炭層為良好的保溫材料 ,可就地取材 ,造價(jià)低且施工簡(jiǎn)便。鋪設(shè)厚度一般為 0. 2 m0. 3 m。基底鋪設(shè)泥炭層的多年凍土路堤 ,在基底泥炭隔溫層及兩側(cè)設(shè)置的保溫護(hù)道的共同作用下 ,基底人為上限上升明顯。 更換基床土為一定厚度的保溫材料 ,如爐渣等 ,以調(diào)整路基

14、凍結(jié)深度 ,減少基床上凍土的水分聚流現(xiàn)象 ,同時(shí)爐渣具有吸著薄膜水和較好的排水性能 ,可以促使融期基床干燥。爐渣保溫層厚度可通過(guò)凍滲理論計(jì)算 ,一般不少于 0. 4 m。2. 2. 2 導(dǎo)溫盲溝 導(dǎo)溫盲溝也稱冷暖盲溝 ,是一種由爐渣橫向暖溝與卵 石縱向冷溝聯(lián)合起來(lái)組成的導(dǎo)溫方案。其原理是通過(guò)在軌道下基床間隔 設(shè)置的橫向暖溝 ,使土基凍結(jié)滯后。而在軌道兩側(cè)設(shè)置的縱向冷溝 ,則 由于其填料的溫度傳導(dǎo)系數(shù)大且通風(fēng)良好 ,使其周圍的基床土先行凍結(jié) , 因而 ,軌道下基床土中的水分必然向冷溝附近的冷卻區(qū)聚集。春融時(shí) , 冷溝附近凍土及凍體先行融化 ,土中水由縱向盲溝中排出。這樣 ,整個(gè)基床土分期融凍 ,

15、分期凍結(jié) ,使軌道下的基床濕度大大降低 ,并提高了基床的整體承載力。煙雙鐵路專用線冷溝設(shè)計(jì)采用 40 mm200 mm 洗凈的卵石并包裹土工布代替反濾層 ,效果較好。 2. 2. 3 設(shè)置保溫護(hù)道 多年凍土路堤的另一保溫措施是設(shè)置保溫護(hù)道 ,用以減少及削弱因熱傳導(dǎo)作用而引起的對(duì)多年凍土的影響。防止向陽(yáng)坡側(cè)人為上限的下降和緩和坡側(cè)人為上限的破壞。以粘性土填筑的保溫護(hù)道并可阻擋和減少路堤坡腳處地表水滲入基底 ,防止基底凍土融化 ,保證路堤穩(wěn)定的效果。 護(hù)道材料宜根據(jù) “就地取材 ,方便施工” 的原則 ,并結(jié)合防水綜合考慮。采用泥炭草皮或細(xì)粒土均可。在需要加強(qiáng)防水的地段以土護(hù)道為宜。 2. 3 土工

16、布、 EPS導(dǎo)溫墊床 土工布具有隔離、 滲濾、 排水、 加固和強(qiáng)化土體的作用 ,在整治一般翻漿中已廣泛應(yīng)用。EPS是鐵科院鐵建所試驗(yàn)研究的一種新型防凍土工聚合材料 ,由可發(fā)性聚苯乙烯貯存 ,予發(fā)泡、 成熟處理及模制過(guò)程加工而成的泡沫材料。試驗(yàn)證明 ,密度為 45 kg/ m3的 EPS材料 ,吸水率小 ,含氣量高 ,導(dǎo)溫系數(shù)小 ,在受水浸濕時(shí)仍有較好的隔熱效果 ,且能滿足動(dòng)荷載為 200 kPa 的強(qiáng)度和變形要求。2. 4 保證路堤的最小高度 在多年凍土上修筑路堤 ,只要滿足最小高度(采取保護(hù)多年凍土原則設(shè)計(jì)路堤時(shí) ,能使基底人為上限維持在原天然上限位置的最小高度) ,并采取綜合的保溫措施后

17、,一般人為上限最終均能較天然上限有所上升 ,或保持在天然上限的位置。因此 ,為保持路堤穩(wěn)定 ,防止基底人為上限下降 ,需要確定路堤的最小高度。 確定路堤的最小高度 ,需要考慮多種因素。它既與區(qū)域氣候密切相關(guān) ,又與填料類別、 地表下泥炭層厚度及以下的凍土介質(zhì)特性和采取的保溫措施有關(guān) ,但最主要因素是區(qū)域氣候。國(guó)內(nèi)外有采用公式計(jì)算確定路堤最小高度的 ,但一般都根據(jù)調(diào)查資料經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后得出。我國(guó)青藏線確定用粘土填筑的最小高度為1. 0 m1. 5 m。地下冰地段采用大值 ,飽冰地段采用中值 ,富冰地段用小值。 2. 5 保護(hù)地表植被及泥炭層 在地表多為活地被植物及泥炭層所覆蓋 ,這些活地被植物及泥炭層是多年凍土良好的保溫層。因?yàn)橹参锝橛诖髿鈱雍偷貙又g ,積極參與兩者之間的熱量交換 ,對(duì)土的凍結(jié)和融化均有很大影響。尤其夏季 ,植物能遮擋太陽(yáng)的強(qiáng)