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公路監理工程師《道路與橋樑》考點:多年凍土

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多年凍土,是指持續多年凍結的土石層。可分為上下兩層:上層每年夏季融化,冬季凍結,稱活動層,又稱冰融層;下層常年處在凍結狀態,稱永凍層或多年凍層。

公路監理工程師《道路與橋樑》考點:多年凍土

  1、什麼是多年凍土?

溫度小於和等於0℃,且含有冰的土(石),稱為凍土。在天然條件下,地面以下的凍土保持三年或三年以上者,稱多年凍土。

  2、多年凍土的分類

1)按其狀態分為:

①堅硬凍土,土粒被冰牢固膠結,在荷載作用下,具有一定的脆性和不可壓縮性。砂土和粘土的溫度低於一定數值時,便成堅硬凍土。

②塑性凍土,土粒被冰膠結,含有一定的未凍水,在荷載作用下可以壓縮,其溫度比堅硬凍土高。

③鬆散凍土,土中含水量很少,沒有被冰膠結的砂土和大快碎石土均屬此類。當凍土融化時,其力學性質基本上不會發生變化,也不會出現沉陷。

2)按其總含水量和融沉等級分為:

①少冰凍土,總含水量小於10%~14%,融沉等級為“不融沉”。

②多冰凍土,總含水量10%~21%,融沉等級為“弱融沉”。

③富冰凍土,總含水量16%~28%,融層等級為“融層”。

④飽冰凍土,總含水量25%~45%,融沉等級為“強融層”。

⑤含土冰層,總含水量大於45%,融層等級為“強融陷”。

  3、多年凍土地區的兩種公路病害

1)凍脹:在有凍脹性土的路段,當有水分供給時,在冬季負氣溫作用下,水分連續向上聚流,在路基上部形成冰夾層、冰透鏡體,導致路面不均勻隆起,使柔性路面開裂,剛性路面錯逢或折斷的現象稱凍脹。

凍脹性分類:通常是在土質分類的基礎上,按土的凍脹性強弱劃分為三類或四類,分別為:輕凍脹、凍脹、重凍脹、特重凍脹。

2)翻漿:在有凍脹性土的路段,當冬季負氣溫時,水分連續向上聚流、凍結成冰,導致春融期間,土基含水過多,強度急劇降低,在行車作用下路面發生彈簧、裂縫、鼓包、冒泥等現象稱翻漿。

翻漿分類,根據導致翻漿的水分來源分為五類,分別為地下水類、地面水類、土體水類、氣態水類、混合水類。根據翻漿高峰時期路面變形破壞程度,將翻漿路段分為三級,分別為輕型、中型、重型。

  4、影響凍脹與翻漿的因素

公路凍脹與翻漿是多種因素綜合作用的結果。土質、水、溫度與路面是影響凍脹的四個主要因素,翻漿除這四個因素影響外,還受行車荷載因素的影響。在上述諸因素中,土質、溫度和水是形成凍脹和翻漿的三個基本條件。

1)土質

粉性土具有最強的凍脹性,最容易形成翻漿。這種土的毛細水上升較高祈且快,在負溫度作用下水分易於遷移,如水源供給充足可形成特別嚴重的凍脹,在春融時承載能力急劇下降易於形成翻漿。粘性土的毛細水上升雖高,但速度慢,只在水源供給充足且凍結速度緩慢的情況下,才能形成比較嚴重的凍脹和翻漿。粉性土和粘性土含有較多的腐植質和易溶鹽時,則更易形成凍脹和翻漿。粗粒土在一般情況下不易引起凍脹和翻漿,因其毛細水上升高度小、聚冰少,且在飽水情況下也能保持一定的強度;但當粗粒土中粉粘粒含量超過一定量以後,凍脹性明顯增加,也能形成凍脹和翻漿。

2)水

凍脹與翻漿的過程,實質上就是水在路基中遷移,相變的過程。路基附近的地表積水及淺的地下水,能提供充足的水源,是形成凍脹和翻漿的重要條件。秋雨及灌溉會使路基的'含水量增加,使地下水位升高,從而促成凍脹與翻漿的形成。

3)溫度

沒有一定的凍結深度或冰凍指數(冬季各月每日負氣溫的總和)是難以形成凍脹和翻漿的,沒有更大的凍結深度或冰凍指數是難以形成嚴重凍脹和翻漿的。而在同樣凍結深度或冰凍指數的條件下,凍結速度和負溫作用的特點對凍脹和翻漿的形成有很大影響。例如,在初冬時氣溫較高或冷暖交替變化,溫度在0℃~3℃~-5℃之間停留時間較長,凍結線長時間停留在土基上部,就會使大量水分聚流到距地面很近的地方,形成嚴重的凍脹和翻漿。反之,冬季一開始就很冷,凍結線下降很快,水分來不及向上遷移,土基上部聚冰少,那麼凍脹和翻漿就較輕或不出現。另外,春融期間的氣溫變化及化凍速度對翻漿也有影響。如春季開始化凍時,天氣聚暖,土基急劇融化,則會加重翻漿。如春融期間冷暖交替並伴有雨、雪,也會使翻漿加重。

4)路面

凍脹與翻漿都是通過路面變形破壞而表現出來的。因此,凍脹與翻漿和路面是密切相關的。路面型別對凍脹與翻漿有影響。如在比較潮溼的土基上鋪築瀝青路面後,由於瀝青路面透氣性較差,路基中的水分不能通暢地從表面蒸發,可能導致聚冰增加,凍脹量增大,以致出現翻漿。路面厚度對凍脹與翻漿也有影響,路面厚度大時可減輕凍脹,可減輕或避免翻漿。

5)行車荷載

公路翻漿是通過行車荷載的作用最後形成和暴露出來的。雖然路基有聚水、有凍脹,春融時含水過多,但無行車荷載作用,是不可能產生翻漿的。當其它條件相同時,在翻漿季節,交通量愈大,車輛愈重,則翻漿也會愈多、愈嚴重。

  5、防治凍脹與翻漿的工程措施

1)做好路基排水

良好的路基排水可防止地面水或地下水侵入路基,使土基保持乾燥,減少凍結過程中水分聚流的來源。

路基範圍內的地面水、地下水都應通過順暢的途徑迅速引離路基,以防水分停滯浸溼路基。為此,應重視排水溝渠的設計,注意溝渠排水縱坡和出水口的設計,在一個路段內重視排水系統的設計,使排水溝渠與橋涵組成一個完整的通暢的排水系統。

為降低路基附近的地下水位,可採用截水滲溝。

2)提高路基填土高度

提高路基填土高度是一種簡便易行、效果顯著且比較經濟的常用措施。同時也是保證路基、路面強度和穩定性,減薄路面,降低造價的重要途徑。

提高路基填土高度,增大了路基邊緣至地下水或地面水位間的距離,從而減小了凍結過程中水向路基上部遷移的數量,使凍脹減弱,使翻漿的程度和可能性變小。

路線通過農田地區,為了少佔農田,應與路面設計綜合考慮,以確定合理的填土高度。在潮溼的重凍區內粉性土地段,不能單靠提高路基填土高度來保證路基路面的穩定性。要和其他措施,如砂墊層、石灰土基層等配合使用。

3)設定隔離層

隔離層設在路基中一定深度處,其目的在於防止水分進入路基上部,從而保持土基幹燥,起防治凍脹與翻漿的作用。

4)換土

採用水穩定好,冰凍穩定性好,強度高的粗顆粒土換填路基上部,可以提高土基的強度和穩定性。

5)注意路槽排水

在凍脹與翻漿嚴重地段,應注意做好路槽排水,通常採用砂墊層和橫向盲溝等措施。

6)加強路面結構

在凍脹和翻漿地段,常使用整體性好的石灰土、煤渣石灰土、水泥穩定砂礫等半剛性結構層,以加強路面結構。

7)加設防凍層

在中、重季節凍結區和多年凍土區的高階、次高階路面,在有可能凍脹的路段,為防止不均勻凍結,路面總厚度不應小於表3.2.5的規定。

8)鋪設隔溫層