严寒冻土地区高速铁路混凝土梁桥病害成因及处治研究

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1、严寒冻土地区高速铁路混凝土梁桥病害成因及处治研究第一章绪论1.1引言在国家政策的推动下，西部大开发和振兴东北老工业基地等区域发展战略逐步实施，在此过程中，铁路事业的发展相当迅速。中国高速铁路五纵六横八连线的重要线路哈尔滨到大连的哈大线、兰州到新疆的兰新线、沈阳到兰州的沈兰线以及现在在建的哈尔滨到齐齐哈尔的哈齐线，都是连接东北地区、西部地区的重要线路。西部地区、东北地区乃至华北平原基本上都属于冻土区，青藏高原以及西部高山地带，东北大小兴安岭地区更是属于多年冻土区。在这里修建的高速铁路桥梁，已经表现出与普通地区桥梁不同的病害，具有其区域特征性，所以分析严寒冻土地

2、区桥梁病害，提出处治这些病害的方法，具有重要的研究意义。.1.2冻土的定义及其分布冻土是指零或零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。根据岩土冻结状态保持时间的长短，冻土可分为多年冻土、深季节冻土、季节冻土和瞬时冻土。冻结状态持续时间几年到上千年的土均是多年冻土；冻结状态持续时间从数月到几年且冻深大于一米的均是深季节冻土；冻结状态保持半月至数月的土是季节冻土；冻结状态保持几小时至半月的土均是瞬时冻土[1]。地球上多年冻土的分布面积约占陆地面积的23%，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地，其中我国的多年冻土分布面积约206.8104km2，仅次

3、于原苏联(1000104km2)和加拿大(390104~490104km2)，约为美国多年冻土面积(140104km2)的1.5倍。我国是世界上的第三冻土大国，约占世界多年冻土面积的10%，约占我国国土面积的21.5%，同时我国的多年冻土主要分布在中、低纬度的号称世界第三级的青藏高原[2]，我国季节性冻土面积为513.7105km2，约占全国国土面积的53.5%[3]。多年冻土主要分布在青藏高原、帕米尔、西部高山(包括祁连山、阿尔金山、天山、西准噶尔山地和阿尔泰山等)、东北大小兴安岭、松嫩平原北部以及东部地区的一些高山顶部(诸如山西五台山、内蒙古大石山、汗山

4、、吉林的长白山和张广才岭等)。深季节性冻土主要分布于东北三省、内蒙古、甘肃、宁夏、新疆北部、青海和川西等地。季节冻土遍布在不连续多年冻土的外围地区，主要分布于北纬30°以北的地区，其南界大致从云南省挖苦河(25°14′N，97°52′E)向东北方向沿着横断山脉和喀拉山脉的坡脚，经大巴山南麓向东南绕过四川盆地后，又从湖南省的咱果附近(29°N，109°25′E)向东北方向延伸，直至江苏省连云港附近(34°34′N)。此外，在大别山、莱阳山和玉山顶部也有零星分布。瞬时

5、冻土的南界大致与北回归线(22°N)相一致。此界限以南，除山地外，一般无冻土[1]。第二章冻土地区工程特性2.1冻土地质特性冻土，顾名思义，是冻结状态下的岩土体。冻土处于负温状态，其得以保存的条件与温度息息相关，具有温度敏感的特性。随着温度的变化，冻土中冰的含量和冰水之比也会发生变化，从而其他各种性质也会发生变化。对于松散土，其冻结温度取决于土的矿物成分、水分和盐分。在其他条件相同的情况下，冻结温度随含水量的增加而升高，随含盐量的增大而降低。冻土的热稳定性是指任何一种冻土的热状态对外界条件变化响应的敏感程度。前苏联学者的研究表明：冻土的热稳定性可以用

6、外界条件影响下多年冻土的融化速率定量表示，并且主要与冻土的温度及含水量有关，前者决定了冻土的热容量，后者则决定了冻土的相变热[4]。对于粘性土，在冻土上限附近，冻结成冰的过程，会产生冻结吸力，使结合水膜变薄，土水势降低，导致未冻区的水分向正冻区迁移，以抵消冻结抽吸力，补偿减薄了的结合水膜和降低了的土水势。在水分迁移的同时，会发生不等量的盐分迁移，在从融化状态到冻结状态的过程中，粘性土的含水量和含盐量趋于增大，良透水层的含水及含盐量则趋于减小；在温度升高时，土的未冻结含水量趋于增大。在有排水条件的情况下，土的含水量和含盐量趋于减小。但在排水不良的情况下，如果土

7、的上层已经融化而下层仍处于冻结状态，强烈的蒸发作用将把盐分进一步引至土表，从而会进一步加剧土的盐泽化。经过多年的反复冻融和蒸发，土的含盐量逐渐增大，在一定的条件下可以转化为弱冻..2.2冻土的冻胀融沉特性冻土具有热缩冷胀的特性。冻土中的水发生相变，土的体积则发生变化，当大量的水分从液态转化为固态时，土体便发生冻胀；当水从固态转变为液态时，土便发生融化下沉，这就是冻土的冻胀融沉特性。随着冻土的季节融化层冻结，土中水分结冰产生土体体积膨胀的现象称为土体的冻胀。修建在冻土地基上的建筑物，常常会受到地基土的冻胀而破坏。冻胀实际上是季节冻融层中的物理变化过程。在冻结过

8、程中，一方面土中的水相变成冰，体积膨胀9%；另一方面