凍土地區道路設計理論及實踐（簡體書）

《凍土地區道路設計理論及實踐》立足于中國青藏高原及東北等凍土地區道路工程技術的特點，分析了國內外凍土道路工程現狀，總結了多年來上述地區道路工程施工實踐的情況，應用混沌、人工神經網絡、數值模擬等先進理論方法建立了道路凍土路基的變形計算、監測和預警體系，構建了包括道路線形設計、路基穩定性設計、路面耐久性設計的成套設計理論體系。本書內容包括道路凍土區劃，路基路面病害機理分析，路基路面溫度場數值模擬，凍土路基融沉分析及變形預測，道路線形、路基穩定性、瀝青混凝土路面耐久性設計，道路新材料研究與應用等。
《凍土地區道路設計理論及實踐》可供從事凍土地區道路工程及鐵路、土建工程的科研、設計、施工（新建及養護）與建設管理技術人員參考，亦適合高等院校、科研機構相關專業技術人員、教師、研究生學習參考。

前言
第一章 凍土及凍土概況
第一節 凍土及凍土工程地質區劃、分類
一、凍土概況
二、凍土工程地質區劃原則和指標
三、凍土區劃
第二節 道路工程凍土分類
一、道路工程凍土分類標準及指標
二、依據凍土人為上限分類
三、依據凍土路基穩定性分類
第三節 凍土分布狀況
一、西部高山高海拔凍土分布
二、青藏高原高海拔凍土分布
三、高緯度多年凍土
第四節 凍土地區氣候及地溫特征
一、凍土地區氣溫變化趨勢
二、太陽輻射條件
三、降水量變化
四、凍土地區地溫狀態

第二章 凍土地區道路使用狀況調查與分析
第一節 凍土地區路基病害調查與分類
一、凍土路基病害調查
二、凍土路基病害類型與特征
第二節 凍土地區路基病害機理分析
一、凍土路基病害發展過程
二、凍土路基病害成因定性分析
三、凍土路基病害成因定量分析
第三節 凍土地區路面病害調查與分類
一、瀝青混凝土路面病害調查及主導類型
二、水泥混凝土路面病害調查及主導類型
第四節 凍土地區路面病害機理分析
一、瀝青混凝土路面病害機理分析
二、水泥混凝土路面病害機理分析

第三章 凍土地區路基路面溫度場數值模擬及分析
第一節 凍土路基天然上限退化現狀
一、氣候變暖對凍土路基天然上限的影響
二、凍土地區路基溫度場變化規律
三、瀝青路面對凍土路基溫度場影響的分析
四、水泥混凝土路面對凍土路基溫度場影響的分析
第二節 凍土地區路基水-熱-力三場耦合模擬分析
一、水-熱耦合控制方程及模擬計算
二、力-熱耦合控制方程及模擬計算
三、水-力耦合控制方程及模擬計算
四、水-熱-力三場耦合數值模擬結果與分析
第三節 凍土路基溫度場數值模擬
一、溫度場控制微分方程
二、溫度場計算的有限元方程
三、溫度場計算模型及材料參數
四、基于ABAQUS軟件的溫度場計算實施
五、溫度場數值模擬結果與分析
第四節 瀝青路面下伏凍土路基溫度場的數學模型及計算分析
一、路基內熱流耦合的基本模型及邊界條件確定
二、隔熱凍土路基模型及分析
三、塊、碎石凍土路基對流模型及分析
四、無動力熱棒凍土路基等效傳熱模型及分析

第四章 凍土地區路基穩定性分析及變形預測
第一節 凍土地區路基穩定性及變形特征分析
一、凍土路基變形主要影響因素
二、凍土路基變形計算
三、不同工程措施的路基變形分析
第二節 凍土融沉變形混合物理論
一、凍土混合物的基本假設
二、混合物理論基本方程及不等式
三、混合物熱力學本構方程
四、凍土融沉中的相變考慮
五、凍土融沉中的唯象關系
六、凍土融沉過程的固結方程
第三節 凍土融沉變形試驗及數值計算
一、凍土融沉試驗及結果分析
二、凍土融沉數值計算及結果分析
第四節 凍土地區路基變形預測分析
一、基于偏最小二乘法的凍土路基變形預測
二、基于人工神經網絡的凍土路基變形預測
三、凍土路基變形及應力分析

第五章 凍土地區道路線形設計
第一節 凍土地區車輛動力性能評價及運行速度模型建立
一、凍土地區車型W/G分析法
二、凍土地區車輛動力性能評價
三、凍土地區道路車輛運行速度影響因子敏感性分析
四、凍土地區道路運行速度模型
第二節 凍土地區道路平面線形設計
一、直線長度
二、高海拔凍土區駕駛員反應時間與停車視距
三、平曲線最小半徑與超高
第三節 凍土地區道路縱斷面設計
一、縱坡坡度
二、縱坡坡長
三、坡彎組合
四、豎曲線
第四節 凍土地區路基橫斷面組成設計
第五節 高原凍土區道路線形指標推薦

第六章 凍土地區道路路基設計
第一節 凍土地區路基設計理論沿革及設計原則要求
一、凍土地區路基設計理論沿革
二、凍土地區路基設計原則和要求
第二節 凍土地區一般路基橫斷面結構設計
一、路堤設計
二、路塹設計
三、低填淺挖及零斷面路基設計
四、擋土墻設計
第三節 凍土地區特殊路基結構設計
一、不良地質地段路基設計
二、塊、碎石路基設計
三、隔熱層路基設計
四、遮陽板路基設計
五、無動力熱棒路基設計
六、通風管路基設計
第四節 凍土地區過渡路段路基結構設計
一、填、挖過渡段路基設計
二、路基與橋(涵)過渡段路基設計
三、融區與多年凍土區過渡段路基設計
第五節 凍土地區路基排水設計
一、邊溝設計
二、排水溝設計
三、擋水?設計
第六節 取、棄土場設計

第七章 凍土地區道路瀝青混凝土路面耐久性設計
第一節 凍土地區瀝青結合料性能評價及其選擇
一、現有瀝青指標評價體系
二、瀝青FDT試驗及機理分析
三、基于韌性比RT/V指標的瀝青評價體系
四、瀝青結合料的選擇原則及流程
第二節 凍土地區瀝青混合料配合比設計
一、凍土地區瀝青混合料配合比基本設計思路
二、影響瀝青混合料性能的敏感性指標分析
三、凍土地區瀝青混合料設計控制指標及試驗參數推薦值
四、基于抗凍性能的瀝青混合料配合比設計流程圖
五、設計實例材料參數以及混合料試驗指標
第三節 凍土地區瀝青混合料路用性能評價
一、低溫韌性指標合理性論證及其計算方法
二、非常規馬歇爾試驗
三、抗凍性能評價
四、低溫抗裂性能評價
五、高溫性能評價
六、凍融循環低溫彎曲韌性評價
七、凍融疲勞特性評價
八、抗水損性能評價
第四節 凍土地區道路瀝青路面結構類型選擇
一、凍土地區瀝青路面結構初步選擇
二、凍土地區道路基層材料性能優化
第五節 凍土地區瀝青路面結構設計
一、凍土地區瀝青路面典型結構設計要求、原則及設計流程
二、凍土地區道路設計參數確定
三、試驗路路面結構擬定
四、推薦瀝青路面典型結構組合

第八章 凍土地區筑路新材料研究及其性能評價
第一節 硅藻土改性瀝青膠漿性能
一、原材料技術性質
二、硅藻土改性瀝青的制備
三、硅藻土改性瀝青常規指標試驗
四、硅藻土改性瀝青高溫動態剪切試驗
五、硅藻土改性瀝青低溫彎曲梁流變試驗
六、硅藻土改性瀝青機理分析
第二節 硅藻土改性瀝青混合料配合比設計
一、原材料技術性能
二、硅藻土拌和方法
三、礦質混合料級配優選
四、硅藻土改性瀝青混合料最佳瀝青含量確定
第三節 硅藻土改性瀝青混合料低溫抗裂性能研究
一、瀝青混合料低溫彎曲性能評價
二、老化對低溫抗裂性影響的研究
三、硅藻土改性瀝青混合料水穩定性研究
第四節 硅藻土改性瀝青混合料高溫性能研究
第五節 硅藻土改性瀝青混合料隔熱性能研究
一、熱傳導試驗
二、熱導率試驗
主要參考文獻

第一章凍土及凍土概況
第一節凍土及凍土工程地質區劃、分類
一、凍土概況
凍土，一般是指溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖土。按巖土凍結狀態保持時間的長短，凍土又可分為多年凍土與季節凍土。凍結數年至數萬年以上的稱為多年凍土。
地球上多年凍土區面積約為3.5×107km2，主要分布在北半球。包括歐亞大陸的西伯利亞和北美大陸的阿拉斯加及加拿大廣闊地區的多年凍土，約占全球多年凍土總面積的63%。
中國多年凍土分布面積約2.15×106km2，位居世界第三，包括位于歐亞大陸高緯度多年凍土區南緣的東北大小興安嶺（分布南界達北緯45°～46°），以及西部高山和青藏高原等地。
二、凍土工程地質區劃原則和指標
（一）凍土區劃原則
凍土自然區劃原則主要有綜合性原則和主導因素原則：前者強調進行某一區劃時，必須考慮影響工程建設的各種因素，然後挑選一些具有相互聯系的指標作為確定區域區界的根據，并認為不必用同一指標去劃分全國某一級分區，同一分區不同段落的界限亦可參照不同標志去確定，但所有這些標志的選取必須保證各區內部具有區域和工程建筑的相似性；而後者強調在進行某一級分區時，必須按統一的指標來劃分，這樣才能做到嚴謹性和科學性，避免主觀性。
凍土狀況是氣候特點、地理環境、地質背景、水文地質條件、地表植被、海拔等諸多因素作用的結果，而且根據地區的不同，影響凍土狀況的主導因素也會有很大的不同；加之凍土分布的不確定性、影響的多因素性，最後所確定的區界偏差很大。
雖然我國凍土具有明顯的緯度和高度分帶性規律，但對于修筑在凍土之上的道路，由于其線形上的地形、地貌等諸多因素發生著經常性的改變，造成季節凍土區、島狀多年凍土區和連續多年凍土區相互穿插和鑲嵌的現象。因此，很有必要在大的區劃的基礎上建立某一具體道路沿線的凍土區劃圖，為已建、改建、新建道路的設計、施工、維修和養護提供可靠的科學依據。
通過對上述主要區劃原則的分析，并結合凍土發育規律，采用以主導性為主、綜合性為輔的原則進行凍土的區劃。
（二）凍土區劃指標
根據對我國凍土及其與道路工程相互作用過程的認識，確定道路工程凍土采用三級區劃：其中，第一、二級區劃偏重于凍土的自然區劃，以全國性的緯向地帶性和構造區域性為依據，根據對凍土具有控制作用的地理氣候因素來擬定；第三級區劃側重于道路工程與多年凍土相互作用的特征以及有可能產生的工程問題。這三級區劃可歸納如下。
（1）一級區劃：根據凍土分布地帶性進行，注重凍土分布連續性和分布共有特征。
（2）二級區劃：根據凍土區域性分布特征進行。
（3）三級區劃：從凍土區道路建設要求出發，以道路穩定性的最重要影響參數對凍土區進行劃分，需要時可增加不良凍土現象輔助指標。
從熱物理學的觀點來看，凍土是在巖石圈─土壤─大氣圈系統熱質交換過程中形成的，年均氣溫與多年凍土區（帶）界限有一定的相關性。凍土的總體分布規律、區域特點都與年均氣溫和海拔表現出較好的相關性。因此，在一級區劃中選用年均氣溫、海拔作為區劃指標具有較好的合理性。二級區劃主要以對一個區域內凍土連續性、凍土類型影響較大的氣候因素和區域構造因素進行劃分。三級區劃主要以對道路穩定性有重要影響的凍土年均地溫和凍土類型的主導因素進行劃分，同時考慮地形、地貌、地質構造等影響。
三、凍土區劃
（一）凍土一級、二級區劃
按照決定凍土形成、存在的主導因素及其分布規律，可將我國凍土分為高緯度凍土、高山凍土、高原凍土三種類型。總體區劃如表1-1所示。
1.高緯度凍土區
高緯度凍土集中分布于我國東北大小興安嶺地區，是歐亞大陸的高緯度多年凍土區的南緣。它的形成與存在的主導因素是一定緯度下出現的負年均氣溫，并且其形成及分布具有顯著的緯度地帶性規律，受其他區域因素（地質構造、巖性、地表覆蓋、大氣降水等）的影響亦表現出地域差異。因此，以年均氣溫？4.0℃等溫線為主將高緯度多年凍土區分為南北兩個區，即北部大片連續多年凍土亞區、南部島狀多年凍土亞區；依據大興安嶺南段嶺脊線及小興安嶺西南坡麓線分成三個二級區，為島狀凍土亞區。
2.高山凍土區
高山凍土主要分布于阿爾泰山─北塔山、天山、阿爾金山─祁連山和喜馬拉雅山，僅出現在一定海拔以上。而島狀凍土出現的最低海拔的連線為多年凍土分布下界，其不是以某一條等高線而固定不變的線，而是以一定海拔為軸線，依不同自然地理、地質條件上下浮動的變動帶，凍土由下界向上分布的連續程度增大，溫度隨之降低，厚度增大，具有明顯的垂直地帶性變化規律，其下界見表1-2。
實際區劃中，因受其所處地理、地質條件等影響，凍土下界可能偏離表1-2的值，因此將凍土分布范圍放寬。另外，為了與目前中小比例尺地形圖300～500m等高線間距相匹配，依據表1-2下界再向下300～500m圈定出各山地多年凍土分布范圍，由此將高山凍土區劃分成四個亞區。
3.高原凍土區
青藏高原是聳立于中低緯度的巨大隆起，海拔平均在4000m以上，氣候嚴寒，是世界上中低緯度帶面積最大的多年凍土區。青藏高原北部及西北部是多年凍土最易發育的地區，凍土基本呈連續或大片分布，溫度低、厚度大。由此向南、東南方向，隨緯度及海拔降低、氣溫升高，逐漸過渡為島狀分布。高原南部島狀凍土區，在109線上北起安多，南至二道河以南，寬近100km。南部島狀凍土區的形成主要與緯度、海拔、地質構造有關。由高原西北部凍土大片分布過渡到島狀分布是一個漸變過程，大體以年均氣溫？4.0℃包絡線為界。東南部島狀凍土除水平方向不連續外，垂直方向常見不銜接的情況，一些地段存在雙層凍土及深埋藏凍土層（埋藏深度8～10m），而高原南部島狀凍土則不同。所以，依據地質構造和年均氣溫等值線將青藏高原凍土區分成三個亞區。
（二）凍土道路工程地質三級區劃
1.三級凍土道路工程區劃思路
凍土區道路因凍土路基融沉而產生路面縱向開裂、邊坡失穩、不均勻沉降、凍脹、路面網狀開裂、翻漿等工程病害，其根本原因在于路基下部因凍土溫度變化引起多年凍土的狀況發生了變化，一般表現為凍土的抗壓強度的降低、凍土中冰的消融和遷移。因此，根據凍土年均地溫和凍土類型，將道路工程凍土區分為凍土穩定區、基本穩定區和不穩定區。
2.三級區劃指標
高溫多年凍土自身處在十分脆弱的狀態，生存環境和條件的改變，將會引起高溫多年凍土的迅速升溫及融化。所以，該地區瀝青路面的修筑，將使凍土路基發生熱融沉陷。
凍土路基變形隨年均地溫的升高而增大，且絕大部分都發生在凍土年均地溫高于？1.5℃的地區，因此主要將凍土年均地溫作為道路凍土區劃的重要指標之一。
3.區劃方案
為便于道路工程應用，在三級區劃中將凍土劃分為兩類，即高含冰量凍土（主要包括富冰凍土、飽冰凍土、含土冰層）以及低含冰量凍土（主要包括少冰凍土和多冰凍土），區劃方案見表1-3。
4.年均地溫的確定
通過對多年凍土年均地溫及與之相關的年均氣溫資料進行分析，采用年均氣溫進行地溫分帶。
從表1-4中可以看到，年均地溫為？1.5℃的多年凍土對應的年均氣溫在東北地區基本為？3.5℃，青藏高原基本為？5.5℃。原則上首先以地溫劃分，當難以獲取相關資料時可根據氣溫進行工程區劃。
5.凍土類型的確定
由上述高含冰量凍土分布規律可以給出如下高含冰量凍土分布區域，見表1-5。
當然，在具體區劃過程中仍要考慮其他因素的綜合影響，比如河流、湖塘造成的融區的存在以及冰錐、凍脹丘、融凍泥流、熱融滑塌、熱融湖塘、沼澤化濕地等不良凍土對道路造成的影響。
第二節道路工程凍土分類
一、道路工程凍土分類標準及指標
（一）道路工程凍土分類原則與指標
隨著凍土地區路面黑色化的推進以及全球氣溫的普遍上升，出現的熱融下沉病害占85%，而其中含有融化夾層的路段占熱融下沉路段的90%以上。因此，道路工程多年凍土分類原則應主要考慮凍土的融沉問題，分類指標應以控制路基穩定性的融沉變形量為標準。
（二）道路工程凍土分類標準
凍土路基的穩定性主要反映在路基變形量的大小及其對路面平整度的影響。路基失穩是指凍土路基在道路運營過程中及路基設計使用年限內產生了超過路基的容許變形沉降量。如果路基在較大范圍內緩慢而均勻地沉降，則對路基路面強度和平整度不會造成較大的影響。但是，如果路基在一年內的凍融變形量很大，則會造成路基、路面過早破壞。因此，路基的容許變形量可用總沉降量和年內凍融變形量兩個指標控制。
（三）影響分類指標的主要因素
道路工程多年凍土分類應以凍土路基的融沉變形量為指標，凍土的融沉變形量可用下式計算：
S=A？h+α？p？h（1-1）
式中，A為凍土在自重下的融沉系數；h為凍土融化層厚度；α為凍土融化層在外荷載作用下的壓縮系數；p為外荷載的應力。在道路工程實踐中，由于路基對多年凍土層所產生的附加應力很小（p?0），因此凍土路基的融沉變形量的計算可只考慮其中的第一項，即凍土在自重下的融化下沉量：
S=A？h（1-2）
因此，影響道路工程多年凍土分類指標的主要因素就具體表現為凍土的融沉系數及多年凍土融化層的厚度。前者主要取決于凍土的含冰特征，而後者不僅取決于凍土的含冰特征，而且與凍土的溫度有關，是凍土熱穩定性的體現，反映了多年凍土與路基、路面相互作用的結果。
通過研究，道路工程多年凍土分類應主要考慮不同凍土條件（凍土溫度、含冰量）以及不同路基路面結構下凍土路基的融沉變形問題，并根據凍土路基的最大容許變形量提出以凍土路基穩定性為標準的凍土工程分類方案。為了確定凍土路基的融沉變形量，首先要確定多年凍土的融沉系數，其次針對一定的路基、路面條件計算路基下多年凍土的融化深度，最終得出不同凍土條件及不同路基、路面結構下凍土路基的融沉變形量，分別作如下討論。
1.凍土融沉系數
凍土融沉系數是與巖性、含冰量及干容重有關的、用于計算凍土地基融沉變形量的參數。在一定的巖性條件下，融沉系數隨含冰量的增大而增大，隨干容重的增大而減小。
目前根據我國規范，以凍土的粒度組成及總含冰量為標準，以融沉系數為控制指標，將多年凍土分為少冰凍土、多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土和含土冰層五種類型。
……