公路涎流冰形成機(jī)理與防治技術(shù)研究.pdf

1、公路涎流冰是我國北方寒冷山區(qū)公路工程的主要病害之一，它的出現(xiàn)會(huì)引發(fā)公路龜裂、水毀、翻漿、凍脹、塹坡不穩(wěn)定等一系列危害。本文依托銅川至黃陵高速公路建設(shè)項(xiàng)目，在地形地貌與地層巖性勘測、水文地質(zhì)調(diào)研、病害調(diào)查、現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)外試驗(yàn)、理論分析與數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，分析各因素對涎流冰形成的影響，研究公路涎流冰的形成機(jī)理；評(píng)價(jià)工程區(qū)涎流冰的危害性；提出涎流冰的預(yù)測技術(shù)；針對傳統(tǒng)措施的局限性，提出新型防治措施。主要研究成果如下：
　　1.從溫度來

2、看，冬季持續(xù)的負(fù)氣溫是涎流冰形成的先決條件。從水源來看，充沛的降雨量、較高的地下水位、充足的地下水儲(chǔ)量以及豐富的河水流量是涎流冰形成的物質(zhì)條件。從地形地貌來看，工程區(qū)處于低山山地區(qū)、低山河谷區(qū)、山前坡地的緩坡和山間洼地，有較大的匯水面積，有利于雨水的匯集和滲入，為地下水的徑流提供了較大的水力坡度，這是涎流冰形成的地形條件。從地質(zhì)條件來看，公路涎流冰的形成與修建公路后出現(xiàn)的人為特殊地質(zhì)構(gòu)造—擾動(dòng)三層體有關(guān)，并且，以飽水粗粒土為核心的密閉體

3、系的凍結(jié)對其形成有著重要的作用。
　　2.對土的顆粒級(jí)配（滲透性）、溫度（凍深）以及地下水位降深進(jìn)行試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測，分析這三種因素對涎流冰形成規(guī)模和持續(xù)時(shí)間的影響。
　　3.針對飽水粗粒土與飽水細(xì)粒土的凍結(jié)特征進(jìn)行了凍結(jié)試驗(yàn)。飽水粗粒土凍結(jié)時(shí)的不凍脹、排水及排水受阻即產(chǎn)生很大靜水壓力的特性，對公路涎流冰的形成影響很大。飽水細(xì)粒土為含水層的情況下不易形成公路涎流冰。飽水粗粒土的凍結(jié)是形成公路涎流冰的內(nèi)部條件，三層體中形成的密閉

4、體系是其形成的外部條件。
　　4.分析密閉體中飽水粗粒土的凍結(jié)模型，飽水粗粒土在密閉體系中的凍結(jié)，就其產(chǎn)生的水壓力而言，實(shí)質(zhì)上就是密閉水體的凍結(jié)，也就是水凍結(jié)成冰體積膨脹受限而產(chǎn)生力的問題。這種體積膨脹產(chǎn)生的力導(dǎo)致約束結(jié)構(gòu)（如薄弱層）的整體性破壞。其壓力最終能增長到多少，除了取決于溫度下降的程度外，還直接取決于密閉體系本身抵抗破壞的能力。
　　5.推導(dǎo)出了密閉三層體凍結(jié)層薄弱處的強(qiáng)度條件和變形方程。涎流冰的形成過程其實(shí)是一個(gè)

5、循環(huán)系統(tǒng)作用的結(jié)果：凍結(jié)→封堵→水力梯度增大→水分積聚→脹破→水流出→結(jié)冰，不斷的循環(huán)往復(fù)，在土層表面形成了大規(guī)模涎流冰。在形成涎流冰的諸條件中，最關(guān)鍵的是擾動(dòng)三層體的存在與密閉水體的凍結(jié)—壓力作用的實(shí)現(xiàn)，其它因素只決定其形成規(guī)模與持續(xù)時(shí)間。使用數(shù)值軟件分析三層體被三次開挖后邊坡的滲流情況，驗(yàn)證了涎流冰形成機(jī)理的正確性，并從邊坡開挖誘發(fā)的涎流冰入手，進(jìn)一步分析涎流冰的形成原因。含水層遭到擾動(dòng)是公路涎流冰形成的最主要原因，這種擾動(dòng)主要包括

6、含水層出露、含水層上覆土層減薄以及含水層被壓密三種情況。
　　6.建立負(fù)溫條件下涎流冰危害模糊綜合評(píng)價(jià)模型，選取6類18項(xiàng)影響因素指標(biāo)，對銅川至黃陵地區(qū)涎流冰危害性進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。得出影響形成涎流冰因素的權(quán)重：水文條件＞地質(zhì)條件＞人為因素＞溫度＞地形地貌＞降雨，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)涎流冰發(fā)育處于非常嚴(yán)重狀態(tài)。
　　7.依據(jù)公路涎流冰形成規(guī)律提出公路涎流冰預(yù)測技術(shù)，以及混合型涎流冰預(yù)報(bào)模型和潛水型涎流冰預(yù)報(bào)模型，具有簡單、實(shí)用、可操作

7、性強(qiáng)等特點(diǎn)，滿足公路工程的迫切需要。
　　8.鑒于傳統(tǒng)防治措施的局限性，針對路塹邊坡提出兩種新型防治措施，分別為滲溝與仰斜式集水孔結(jié)合防治措施、蓄冰溝與滲井結(jié)合防治措施；針對低填方路基提出多出水口防冰系統(tǒng)。使用ANSYS軟件對仰斜式集水管的合理埋深進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在銅黃高速公路，邊坡仰斜式集水管道合理埋置深度是0.9m。使用Midas/GTS軟件對蓄冰溝與滲井措施進(jìn)行應(yīng)力與滲流耦合數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)工后坡面的水頭、孔隙水壓、滲流速