俄羅斯楚科奇地區(qū)多年凍土技術(shù)方案研究

杜江

摘要 文章結(jié)合俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)多年凍土路基處治前期研究實(shí)例，通過(guò)收集俄羅斯地區(qū)多年凍土路基處理方法，對(duì)俄羅斯地區(qū)現(xiàn)狀道路多年凍土路基病害進(jìn)行調(diào)查。借鑒俄羅斯多年凍土地區(qū)成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并吸取多年凍土處治失敗案例的教訓(xùn)，進(jìn)一步研究和優(yōu)化多年凍土處治措施。結(jié)合項(xiàng)目所在區(qū)域特點(diǎn)，在對(duì)楚科奇地區(qū)多年凍土特性研究基礎(chǔ)上，以提高凍土上限為目的，提出符合楚科奇地區(qū)的多年凍土處治方案。

關(guān)鍵詞 多年凍土；路基病害；凍土上限

中圖分類號(hào) U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）06-0086-03

0 引言

多年凍土是指凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)三年以上的含冰凍土層，多年凍土分為上下兩層，上層每年寒季凍結(jié)、暖季融化，稱為季節(jié)性凍融層，下層全年處于凍結(jié)狀態(tài)，稱為永凍層，永凍層的頂面稱為多年凍土上限[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，多年凍土覆蓋了全球1/4的陸地，緯度和垂直地帶性明顯，主要分布在高緯度和高海拔地區(qū)。在北極圈以北的北冰洋沿岸地區(qū)廣泛分布著北半球最大的凍土分布區(qū)域，其中凍土分布最廣的國(guó)家是俄羅斯和加拿大。

1 工程概況

該項(xiàng)目位于俄羅斯楚科奇自治區(qū)，隸屬遠(yuǎn)東聯(lián)邦區(qū)。西北與雅庫(kù)特交界，西南與馬加丹大區(qū)接壤，南與堪察加邊疆區(qū)毗鄰，東部與美國(guó)有海上邊界，是世界上最東北的邊疆地區(qū)，東與美國(guó)毗鄰。該項(xiàng)目為巴伊姆礦區(qū)至比利比諾的新建公路，全長(zhǎng)約206 km，含道路、大安玉河橋、小安玉河橋、7座中橋及134道涵洞。全線設(shè)計(jì)時(shí)速70 km/h（山區(qū)段30 km/h），按雙向兩車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

2 沿線周邊地形地貌

楚科奇地處俄羅斯東北部，地勢(shì)起伏較大，多屬楚科奇山脈東部，最高峰海拔1 158 m，北部和沿岸均為狹長(zhǎng)平原，境內(nèi)地勢(shì)起伏較大，地勢(shì)平坦，楚科奇半島地表的多年凍土隨季節(jié)變化而廣泛發(fā)展。

項(xiàng)目地區(qū)海拔在180～600 m，沿山丘邊緣展現(xiàn)，沿河設(shè)置，水資源較為豐富，分布有大安玉河、小安玉河及眾多河流。項(xiàng)目區(qū)域河流的水源主要是雨雪，具有長(zhǎng)期封凍，許多河流的河床都結(jié)冰到底部，冰壩廣泛形成。

3 沿線不良地質(zhì)及特殊性巖土

項(xiàng)目區(qū)域氣候?qū)儆诖箨懶詺夂颉６鞓O其嚴(yán)酷而且時(shí)間長(zhǎng)（11月—次年4月）。年平均最高溫度為?8.5 ℃，年平均最低溫度為?12.4 ℃，具體溫度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

項(xiàng)目區(qū)域位于I1連續(xù)永久凍土區(qū)，年平均積雪天數(shù)212 d。每年冰凍期9個(gè)月，冰凍期為10月—次年6月。年均138 d見(jiàn)不到太陽(yáng)，1月和12月為極夜，6月和7月為極晝。凍土及凍巖帶厚度達(dá)420 m，年變化層底部溫度達(dá)?8 ℃。

4 俄羅斯地區(qū)凍土研究

4.1 俄羅斯道路等級(jí)

俄羅斯道路分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的制定原則綜合考慮交通需求和道路狀況，確保道路安全、高效和可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，俄羅斯將道路分為5級(jí)，道路分級(jí)如表2所示。

4.2 俄羅斯地區(qū)公路壓實(shí)技術(shù)要求

俄羅斯地區(qū)按照路基設(shè)計(jì)規(guī)范中，路基強(qiáng)度基本指標(biāo)是路基土壓實(shí)度，俄羅斯地區(qū)路基壓實(shí)度要求如表3所示。

4.3 俄羅斯公路路基回彈模量

由于俄羅斯地區(qū)常年平均氣溫非常低，均位于零攝氏度以下，道路路基處治方案有其本身的特點(diǎn)。根據(jù)俄羅斯規(guī)范規(guī)定，路堤回彈模量設(shè)計(jì)值E按公式（1）確定。

（1）

式中，EH——路基土回彈模量，根據(jù)查表（詳見(jiàn)表4）或者通過(guò)試驗(yàn)確定（MPa）；ET——沼土回彈模量，通過(guò)壓縮或壓模試驗(yàn)確定（MPa）。

在俄羅斯，為保證路基作業(yè)區(qū)的穩(wěn)定和強(qiáng)度，當(dāng)路基回彈模量值低于容許值時(shí)，應(yīng)采取如下處理措施：

（1）路基的濕度狀況可以通過(guò)防水、隔熱、排水以及使用土工合成材料制成的滲水層進(jìn)行有效調(diào)節(jié)[2]。

（2）采用砌石護(hù)坡或反壓護(hù)坡阻止路表水滲入路基內(nèi)部。

（3）在路床范圍內(nèi)采用透水性材料。

（4）俄羅斯多年凍土地基沉降計(jì)算。在俄羅斯地區(qū)，根據(jù)俄羅斯規(guī)范中路基沉降按公式（2）確定路基沉降，公式如公式（2）所示：

式中，β——無(wú)量綱系數(shù)，取0.8；σzp，i——第i層土壤在豎向荷載作用下的豎向附加應(yīng)力值（kPa）；hi——第i層圖厚度（m）；Ei——土層壓縮模量值（kPa）。

（5）俄羅斯地區(qū)多年凍土設(shè)計(jì)思路。在俄羅斯，解決多年凍土問(wèn)題的主要思路是提高多年凍土的上限，通過(guò)填筑護(hù)道，給地基層保溫，同時(shí)確保多年凍土上的路堤穩(wěn)定性，使地基層始終位于永久凍土層，對(duì)于處于季節(jié)凍融層的路堤，路基填料要采用非凍脹性的碎石土填筑，多年凍土處治典型斷面如圖1所示。

5 俄羅斯地區(qū)多年凍土道路病害分析

通過(guò)調(diào)查俄羅斯地區(qū)公路病害并總結(jié)病害成因，分析研究結(jié)果具體如下：

（1）由于對(duì)多年凍土發(fā)生病害機(jī)制認(rèn)識(shí)不足，處治方案很難適應(yīng)復(fù)雜的凍土地質(zhì)條件。尤其是在含冰量相對(duì)較高的凍土路段，凍土路基處理往往采用允許多年凍土局部融化的設(shè)計(jì)思路，但由于支撐設(shè)計(jì)的勘察資料與實(shí)際地質(zhì)狀況存在較大的差異性，高含冰量的凍土地基實(shí)際發(fā)生的沉降遠(yuǎn)大于計(jì)算沉降，使得路基沉降變形及病害發(fā)展遠(yuǎn)高于預(yù)期[3]。

（2）凍土工程技術(shù)措施缺乏適應(yīng)性，導(dǎo)致設(shè)計(jì)效果不盡如人意。采用一般的路基高度的設(shè)計(jì)思路通常只適用于與低溫基本穩(wěn)定區(qū)，并且具有一定的局限性，因此，采用一般的路基高度的設(shè)計(jì)思路很難保證地基凍結(jié)的狀態(tài)能夠一直持續(xù)下去，這對(duì)高溫條件下溫度變化更為敏感的線路安全穩(wěn)定將產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。與路基高度措施類似的問(wèn)題還有土護(hù)道保溫措施。但基底多年凍土地溫可通過(guò)設(shè)置土質(zhì)護(hù)道有效降低。護(hù)道表面的年均溫度只有在溫度較低的凍土區(qū)才會(huì)比凍土區(qū)的自然狀態(tài)溫度低。整個(gè)冬季由于公路沿線地表積雪的影響，對(duì)冬季基礎(chǔ)降溫散熱不利，形成了厚而結(jié)實(shí)的雪蓋層[3]。

（3）截排水措施薄弱，多年的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，由于常年地表水和地下水的滲透及滲流作用，導(dǎo)致路基沉陷和形變病害頻發(fā)，甚至導(dǎo)致路基出現(xiàn)塌陷，在地下水和地表水富集的路段，這些問(wèn)題表現(xiàn)得尤其突出。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)路基凍土病害調(diào)查，往往在路基坡腳附近設(shè)置排水溝的路段，凍土地基首先產(chǎn)生熱融沉陷，但若在路基坡腳20 m以外修建排水溝，容易導(dǎo)致路基坡腳與排水溝之間出現(xiàn)積水現(xiàn)象，坡腳積水加劇多年凍土病害的產(chǎn)生。加強(qiáng)道路地表水和地下水的截流引排，是防止多年凍土路基病害的必要措施，因此，要加強(qiáng)線路地表水的截排。

6 針對(duì)楚科奇地區(qū)多年凍土處治方案

項(xiàng)目前期進(jìn)行了長(zhǎng)期調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)多年凍土病害呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：病害發(fā)生頻率高、病害持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、病害一旦發(fā)生，處治難度大等。針對(duì)以上特點(diǎn)，并結(jié)合已有處治經(jīng)驗(yàn)，推薦采取的處治措施如下：

6.1 隔熱材料技術(shù)

針對(duì)既有公路凍土工程施工及運(yùn)營(yíng)期間暴露出來(lái)的問(wèn)題，特別是對(duì)含冰量大、沉陷量大的地區(qū)，建議加強(qiáng)凍土保護(hù)的設(shè)計(jì)原則：一是加強(qiáng)包括地表植被覆蓋，以起到對(duì)凍土地溫的保護(hù)作用。二是包括聚苯乙烯、聚氨酯等隔熱材料等新材料、新工藝的應(yīng)用。

6.2 拋石護(hù)坡技術(shù)

根據(jù)以往項(xiàng)目多年凍土處治經(jīng)驗(yàn)，采用塊石滿鋪路基，對(duì)保護(hù)多年凍土起到明顯作用。通過(guò)設(shè)置試驗(yàn)段采用拋石護(hù)坡滿鋪路基，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用拋石護(hù)坡滿鋪的路基經(jīng)過(guò)兩次凍融循環(huán)，地基地溫下降約0.8 ℃，多年凍土上限高度抬升約1.2 m，充分表明拋石護(hù)坡對(duì)降低地基地溫效果明顯。其工作原理是在寒冷季節(jié)，塊石間較大的孔隙產(chǎn)生空氣對(duì)流作用，塊石間冷空氣的對(duì)流利于地基充分散熱而使凍土地基地溫有效降低，其冷卻效果與塊石大小、空隙率等密切相關(guān)[3]。

6.3 熱棒導(dǎo)熱技術(shù)

采用導(dǎo)熱介質(zhì)對(duì)地基凍土層進(jìn)行主動(dòng)降溫，目前國(guó)內(nèi)外多采用氟利昂、氨水作為導(dǎo)熱材料。其工作原理是利用管內(nèi)導(dǎo)熱介質(zhì)的氣化吸熱作用，依靠冷凝器與蒸發(fā)器的溫差，在冬季大氣溫度低于凍土地溫時(shí)，通過(guò)對(duì)流循環(huán)將基底熱量傳導(dǎo)到大氣中，達(dá)到冷卻地基的作用。熱虹吸管可以在大氣溫度比凍土溫度高的情況下自動(dòng)停止工作，不會(huì)把大氣的熱量帶到地基里面去[3]。

6.4 關(guān)注全球氣候變化帶來(lái)的沖擊

全球變暖導(dǎo)致地表溫度變化，嚴(yán)重影響多年凍土穩(wěn)定性，考慮公路運(yùn)營(yíng)的周期較長(zhǎng)，多年凍土設(shè)計(jì)必須考慮全球氣候變暖導(dǎo)致地溫逐漸上升對(duì)凍土退化的影響，特別是含冰量較高的凍土路段，應(yīng)采取必要的預(yù)防性措施，彌補(bǔ)地溫上升對(duì)多年凍土造成的影響。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)地調(diào)查和技術(shù)交流，凍土工程的知識(shí)有了進(jìn)一步提高。認(rèn)真總結(jié)和吸取項(xiàng)目周邊既有路基凍土病害的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化凍土病害處治措施，通過(guò)對(duì)楚科奇地區(qū)多年凍土技術(shù)的研究實(shí)踐，完善多年凍土設(shè)計(jì)理論，在主動(dòng)冷卻理念研究基礎(chǔ)上，采取主動(dòng)降溫措施，或以橋代路的措施，對(duì)高溫極不穩(wěn)定區(qū)域的凍土層含量較高的地段和凍土不良現(xiàn)象較為發(fā)展的地段進(jìn)行主動(dòng)降溫，以提高多年凍土上限。

參考文獻(xiàn)

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