冻土地区铁路路基设计.docx
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冻土地区铁路路基设计
摘要
路基作为线路的重要组成部分,它既是线路的主体,又是轨道的基础。
路基的好坏直接关系到整个线路的质量和火车的安全行驶。
然而在高原冻土区,由于冻土的冻胀和融沉,会造成路基冻害变形,危及行车安全,所以在冻土路基的设计和施工中,冻土路基的处理显得尤为重要。
多年冻土区路基的处理,按保护冻土的设计原则采用通风路堤、合理路堤高度、铺设工业保温材料、设置热棒等措施来满足保护多年冻土不致融化的要求,路基排水设计和施工技术也同样重要。
本论文为冻土路堤的设计,设计段全长2500m,位于海拔为3580m~4100m的青藏高原,沿线高寒缺氧、环境恶劣,不同程度分布多年冻土。
本文首先介绍了冻土的工程特性以及多年冻土区路基的常见病害,接着介绍了路基横断面的构成及冻土区路基的设计,并按照保护冻土的原则进行路基设计,依据线路的平、纵断面图绘制路基横断面初步设计图。
其次,详细论述了冻土区地基处理的方法,根据设计段的工程概况进行地基处理。
然后,通过对路堤填高最高断面的沉降量计算得到地基无需加固,再进行路基排水与防护的设计。
最后,对多年冻土区路基的施工技术进行了全面、细致的描述。
关键词:
路基工程;多年冻土;换填处理;热棒
Abstract
Asanimportantpartoftheline,theembankmentisthemainbodyoftheline,anditalsoisthebasisoftrack.Theroadbedisdirectlyrelatedtotheentirelineofqualityandsafetyofthetraindriving.However,intheplateaupermafrostareas,duetofrostheavingandthawingofthepermafrostwillcauseroadbeddeformationfrostdamage,endangertrafficsafety,andfrozensoilsubgradetreatmentisparticularlyimportantinthedesignandconstructionofpermafrostroadbed.Handlingoftheroadbedinpermafrostregions,accordingtothedesignprinciplesfortheprotectionofpermafrostventilationembankmentreasonableembankmentheight,thelayingofindustrialinsulationmaterials,setuphotrodsandothermeasurestomeettherequirementsprotectthepermafrostfrommelting,subgradedrainagedesignandconstructiontechniquesarealsoimportant.
Inthisthesis,thedesignisaboutofthefrozensoilembankment.Thewholelengthofthedesignlotis2500m,itislocatedinanaltitudeof3580mto4100moftheQinghai-TibetPlateau,alongthealpinehypoxia,poorenvironmentandvaryingdegreesofdistributionofpermafrost.Thispaperfirstintroducestheengineeringpropertiesofpermafrostandembankmentinpermafrostregionsofcommondiseases,thenintroducesthecompositionoftheembankmentcross-sectionandthedesignofthesubgradeinpermafrostregion,andinaccordancewiththeprotectionoffrozentheprincipleofsoildesignsembankment,preliminarydesignbasedonthelinesofembankmentcross-sectionallevel,longitudinaldrawing.Secondly,thispaperdiscussesindetailwaystodealwithpermafrostzonefoundation,foundationtreatmentswereappliedaccordingtothedesignoftheprojectprofilessection.Thirdly,throughthehighestsectionofembankmentfilltheSettlementCalculationtodeterminethefoundationwithoutprocessing,thenthesubgradedrainageandprotectionhasbeendesigned.Finally,theconstructiontechnologyoftheroadbedinpermafrostregionshasbeendescribedcomprehensivelyandmeticulously.
Keywords:
subgradeengineering;permafrost;replacementtreatment;hotrod
1绪论
地方铁路哈尔盖至柴达尔至木里线,位于青海省东北部的刚察县、祁连县、天峻县境内,以青藏铁路西宁至格尔木段上哈尔盖站为起点,沿柴达尔支线到达柴达尔车站后,线路沿哈尔盖曲北上,穿越大通山垭口,跨过大通河折向西沿河北岸行进,路经江仓煤矿至终点木里煤矿,线路全长195.24km,其中新建段柴达尔至木里长142.040km。
本线为运煤专用铁路,全线位于海拔为3580m~4100m的青藏高原,沿线高寒缺氧、环境恶劣,不同程度分布多年冻土。
该多年冻土区海拔高,气压低,气候严寒,冻结期长,多年冻土平均地温低,但积雪较薄,且保存时间不太长。
1.1冻土的基本概念
凡含有水的松散岩石和土体,当温度降低到其冻结温度时,土中孔隙水便冻结变成冰,且伴随析冰晶体的产生,胶结了土的颗粒。
各种土体中的冰析作用,将伴随着一系列非常复杂的物理、化学及力学性质的改变,水分迁移,孔隙溶液浓度的增大和土体不均匀变形,以及引起应力、应变的改变,都在改变着冻土的性质。
孔隙水结晶,松散土颗粒被胶结和外来冰侵入体的“冰劈”作用是土体性质变化的一个重要条件。
另外,由于固体土颗粒表面自由能量的作用,使冻土中的水分不能完全冻结成冰,而总是含有一定量的未冻水。
随着冻土温度变化,未冻水--冰之比例也在改变,而温度指标是引起冻土性质变化的基本条件。
因此,把具有负温度及冰,且胶结着松散岩石固体颗粒的土,称为冻土。
冻土温度状态随地区及存在条件的差异而发生变化。
它主要取决于大气温度、海拔高度、地形、地质和水文地质及植被等条件。
此外,环境条件的改变和人类的工程建筑活动也可直接影响其所在地段的冻土温度状态。
冻土按其冻土状态时间的长短可分为多年冻土、季节冻土和瞬时冻土三类。
冻结状态持续三年以上的冻土为多年冻土。
每年冬季冻结,夏季全部融化,冻结状态持续时间大于一个月,每年周期性冻结的冻土为季节性冻土,这种冻土的冻结深度为数厘米至1~2m。
瞬时冻土是指冬季冻结状态仅持续几个小时至数日的冻土,其冻结深度为数厘米至数毫米。
每年冬季冻结,夏季融化的地表(浅层土体),在多年冻土地区称之为季节融化层;在季节性冻土地区称之为季节冻结层(季节冻土层)。
冻土是一种复杂的多相天然复合体结构构造上也是一种非均质、各向异性的多孔介质。
冻土的基本成分有四种:
固态的土颗粒、水、液态水、气体和水汽。
土颗粒大小和外形对土冻胀及物理力学性质又十分重要的影响。
土颗粒大小主要表现在土颗粒粒子表面的物理、化学性质,它是根据土粒子的比表面积而定。
土颗粒的外形主要表现在受外力作用时可以产生力的位移。
土粒子的巨大表面能量还取决于土颗粒的分散程度和土粒子的矿物成分,决定着土粒子与孔隙水相互作用的差异性。
当土粒子与冰之间以及土粒子之间的接触点上出现一定应力时,必然会使冻土中的未冻水量发生变化,且影响冻土的结构和力学性质。
冻土内的冰是冻土不可缺少的成分,它的数量、分凝特点(由薄膜水向结晶锋面的迁移而形成冰体,在一定条件下,冰体体积可大大超过冻结前体中的孔孔隙)及其与土颗粒之间的胶结程度影响着土体的冻胀性及冻土的物理性质。
由于冰具有明显的非均质特性,它的粘塑性变形主要是发生在于晶体长轴相垂直的方向上。
在天然状态下,由于热—力条件(如温度,压力等)产生变化,冰的各种特性(包括结构特点,流变性等)也会发生相应的变化。
冻土中的未冻水(液态水)伴随土体温度的变化而变化。
它的多寡主要取决于土颗粒表面能的大小,且在外荷载、温度等条件影响下发生变化,
冻土中的水汽总是从水汽压力高的地方向水汽压力地的地方迁移。
在水分稀少的冻土中,它是温度变化和土冻结时水分重分布的原因之一。
对于饱和或二相体系的冻土来说,它的作用相对次要。
冰与土颗粒之间的胶结程度及其性质是评价冻土性质的重要因素,尤其是当冻土被当作各种建筑物的地基或材料时,冻土的含水量及其所处的物理状态就显得更为重要。
所以要特别重视冻土的组成对冻土的热学、物理、力学性质的影响,以及冻土中冰和未冻水的存在和它们随土体负温度变化所引起的冻土性质变化。
多年冻土按其含冰量的不同可以分为:
少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层。
各种冻土含冰特征及融沉分级如下表1-1所示。
表1-1冻土的描述定名和融沉性等级分类表
土类
含冰特征
融沉性等级及类别
冻土定名
冻土
一、肉眼看不见凝冰的冻土
1、胶结性差,易碎冻土
I级不融沉
少冰冻土
2、无过剩冰的冻土
3、胶结性良好的冻土
4、有过剩冰的冻土
二、肉眼可见分凝冰,但冰层厚度小于或等于2.5cm的冻土
1、有单个冰晶体,冰包原体的冻土
2、在颗粒周围有冰膜的冻土
Ⅱ级弱融沉
多冰冻土
3、不规则走向的冰条带冻土
Ⅲ级融沉
富冰冻土
4、层状或明显定向的冰条带冻土
Ⅳ级强融沉
饱冰冻土
厚层冰
三、冰层厚度大于2.5cm的含土冰层或纯冰层
1、含土冰层
V级融陷
含土冰层
2、纯冰层
ICE
1.2多年冻土的成因
冻结状态持续两年以上的土层(土壤、土和岩石)称为多年冻土。
地球表面发生着包括一切传热形式:
辐射、对流和传导的复杂热交换过程。
尽管地表发生的热交换过程十分复杂,但最后都可以归结为使地表吸热或散热。
冷半年的时候(寒季),地表散发热量使土逐渐冷却。
一般来说当土的温度降至0℃一下时,土中水就会冻结形成冻土。
如果该地表一年中的吸热量等于或大于散热量,而热半年时(暖季),在冷半年形成的冻土就会全部融化,这类冻土就是季节性冻
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