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青藏铁路建设中工程问题与处理方法-------路基保温层的应用

    天然条件下,多年冻土上限以上的土层是保护上限下多年冻土处于冻结状态,保持动态稳定的保护层,它是太阳辐射和热量平衡的产物。这层覆盖层的厚度取决于土层的导热性能,砂砾层的导热系数较大,覆盖层的厚度就大,泥炭的导热系数小,覆盖层的厚度就小。也就是说,砂砾石层的多年冻土上限较深,泥炭层的上限较浅。当然,多年冻土上限的变化不只是取决于覆盖层的岩性,还与地表层的性状有关,如植被覆盖度、地表形态等。
    当修筑路基等工程建筑时,破坏了地表的性状,增大了原多年冻土季节融化层的密度和减小厚度。使多年冻土上限下降,影响着路基稳定性。为保持路基基底和路堑边坡多年冻土处于冻结状态,需要增设一定厚度的覆盖层,这均称为保温层。这层覆盖层可以是填筑土(包括改性土)、岩、草皮、泥炭、工业材料,以及它们的组合体,这些材料称为保温材料。一般采用堆筑、换填、铺设等,或者组合方式。将这些保温材料与建筑主体结合,成为建筑物结构的一部分时,这层保温材料就可成为保温层,如路基中铺设一层工业保温材料,以保持路基下的多年冻土处于冻结状态,它就成为路基结构的一部分,就称这层保温材料为路基保温层。
    美国陆军寒区研究中心在1947年曾开展了路面下铺设保温材料控制冻土退化的研究工作。在加拿大北部,石油工业、联邦政府等开展了较为全面的研究工作。研究结果指出,在许多多年冻土区,保温材料可以替代碎石材料。在一些冻土南部边缘地带,保温材料将延缓和减弱冻土退化速率,但是却不能阻止冻土融化。20世纪50年代, 挪威、芬兰等国就已开始尝试采用树皮、草炭等作为冻土路基的保温层材料。 70年代起,原苏联、美国等采用聚苯乙烯保温材料在道路路基中进行了试验性研究,通过对不同保温层厚度、不同类型铺设进行了现场观测试验研究。美国还将保温层用于保护多年冻土的方法申请了专利。70年代中期, 我国在青藏高原风火山地区首次开展保温材料对路基稳定性影响的试验研究,之后在青藏公路将保温材料铺设于实体道路工程进行试验研究,其观测结果表明:不管是否进行了保温处理措施,路基下的地温均明显高于对应天然地表下的地温,且路基中心下的地温高于路肩下的地温;保温处理措施并未改变路基吸热增加的趋势;保温处理断面路基中心浅层地温明显低于无保温处理断面,深层地温区别不大。
    青藏铁路修筑过程中,路基高度是不断地随地形而变。尽管路基是地面上的一条具有几何形状的冷结构物,在增设的路基高度不足以补偿因改变原地表的性状时,路基下的热量平衡状态被破坏,出现吸热大于放热现象,多年冻土融化,上限下降。当采用通风管、碎块石等受到限制、而采用热桩使工程造价提高的情况下,在路基的某部位铺设一层工业保温材料(图1),就可以阻隔太阳辐射的热量下传,相对地在一定的年限内保持多年冻土上限地热平衡状态,达到保持路基下多年冻土的稳定。
 
图1 青藏铁路路基保温材料施工
 
    路基保温层的厚度,在略去工程设计的附加值时,就是减小因工程活动增大的热力值,保持天然状态下最大季节融化深度,使多年冻土上限稳定或有所抬升。通常采用热力相似和工程比拟的原理确定。在此,需要通过各种方法求得天然条件下多年冻土最大季节融化深度(即上限深度),经过调查、统计、分析,结合路基特点,求得路基等人为工程活动影响下的多年冻土上限(称为人为上限)。一般说,通过物理-数学、地质-地理、工程-技术等方向去研究季节冻结-融化过程的物理本质,其深度随地质-地理和具体工程构筑条件的季节冻结-融化深度变化规律,采用精确的数学方法、近似方法或经验公式等方法求得多年冻土的天然和人为上限深度。在工程使用中,多采用后两种方法。
    为调节路基高度,减少换填厚度,或增加路堑边坡、基底的热稳定性安全贮备,也要满足工程的变形要求,常常采用轻质工业保温材料,如聚苯乙烯泡沫塑料板(EPS)、聚氨脂泡沫板(PU)等。技术指标应满足下列要求:导热系数<0.002~0.003W/m?K;密度>0.05g/cm3;抗压强度>0.3Mpa;吸水率<1%。
    保温材料铺设在路基中的某一位置,和换填材料组成复合型的保温路基。由于换填土与隔热材料的物理性质和热物理差异(主要是有无相变作用)很大,传热计算十分复杂,一般采用当量法分层计算,不仅繁琐,精度也受限制,在工程应用时常作一些假定将问题简化。如温度波衰减法、当量折算法、一维数值计算法等都能较简便的计算出土层中埋设保温隔热板厚度。
    风火山等地试验路基的观测结果表明,保温板的隔热效果非常明显,板上下地温相差约达5~10℃,融化指数(℃?d)减少87%左右。然而,冬季使路基下冷量也减少,冻结指数(℃?d)也减少80%左右。这样,多年冻土每年得到大气冷量的补充就减少,为长久的维持上限的稳定,就必须靠自身的温度调节,要消耗多年冻土的冷储量。这就是多年冻土区保温路基的缺点。但是,对于工程而言,可以在使用年限和保温措施延缓冻土融化间作出平衡的选择,以保证工程的稳定性。
 
(图1)
 
 
(图2)
 
(图3)
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