季冻区路基水温状况监测及强度变化的研究

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1、季冻区路基水温状况监测及强度变化的研究1绪论1.1研究背景冻土是一种特殊的土类，所有温度低于零摄氏度、土体内部有冰夹层存在的土类都叫冻土⑴。冻土主要可以分为三类：瞬时冻土，在几个小时内便可以完成从冻结到融化的全过程，冻结深度大约为几毫米至几十毫米；季节性冻土，土体的冻结与融化都受当地气候变化的影响，即冬季时土体内部发生冻结，冻结厚度在几十厘米到儿米之间，到了夏季冻土则会受温度影响逐渐融化，冻结土体存在的时间超过三十天；多年冻土，土体发生冻结之后几年+融化，它往往存在于大地表面下方一定的深度内，而多年冻土靠近地表的部分

2、，也会被大气温度所影响，从而发生冬季土体冻结夏季土体融化的现象[2]。在中国季节性冻土分布非常的广泛。季节性冻土的分布图见图l-ll2]。研究显示，地球上中炜度地区大部分土体都受到大气温度的影响发生冻融现象。在中国，季节性冻土主要分布于秦岭淮河以北地区，面积为大约为全国面积的53.5%左右丨3]。中国北方地区属于典型的季节性冰冻地区，到了冬天，路基土的温度下降，当温度下降到冰点的时候，路基土发生冻结，导致土体的体积膨胀，土体的均匀膨胀就会造成冻胀；到了夏天，路基土因为温度的升高而发生融化，但是路基上部土体融化而下部土

3、体未融化造成水分无法及时排出，从而形成了翻装病害。道路病害的发生不仅增加了公路管理、养护和维修费用，也降低了交通运输效率，对区域经济的发展产生不良的影响。为了防止各种路基病害的发生，提高公路路基的稳定性，已经有很多专家学者对季冻区路基水温状况进行系统的研究，同时对冻融过程中路基的强度变化规律进行研究，以此为理论依据对路基病害进行有效合理的防治。..1.2国内外研究现状在我国，随着青藏铁路的修建，对于多年冻土的研究已经非常深入。由于季节性冻土的分布非常广泛并且是很规律，加之并无特大项目支撑，所以对于季节性冻土的研究相对

4、较少，尤其是季冻区湿度场和温度场的研究不是很全面，技术于?段也不是很科学，其次对于季冻区经过冻融循环后路基的强度变化研究也;1<是很多，许多方面还是空白。湿度场的研究，实际上就是弄清楚土体内部水分迁移和积聚的规律，对于季节性冻土来说，就是要研究土体内部水的状态与土的成分、湿度、温度及其它因素的关系[4]；国外在20世纪40年代开始了对路基湿度场的研究，事实上直到20世纪50年代，在掌握了土、水能态理论后，对路基土体中湿度场的研究才真正的深入到定量化阶段[5]；Everett教授认为土体的毛细作用引起了水分的迁移

5、积聚[6]；Miller教授通过对土体冻结进行研究后认为，土体的冻结面和冰透镜体中间有一个含水率较小和未冻胀的空间，这个空间被他称做冻结缘[7]；Loeh等分别用了多种不同的方法对冻结缘的结构特征进行了研究[8-n];中国对季冻区冻土湿度场的研究始于20世纪60年代，我们国家的学者先后在几所高校中测试了冻土中的水的成分；在20世纪70年代末期，为了研究冻土内部的水分迁移现象，相关科研部门组织并开展了一系列的现场观测工作；20世纪80年代初期，兰州冰川冻土研究所在实验室内系统的研究了毛细水和薄膜水在冻融循环过程中因为温

6、度梯度的诱导产生的迁移问题[14];20世纪80年代后期，李述训教授分析了冻融循环作用对路基和环境之间能量交换的影响程国栋教授针对冻土的成冰机理对青藏高原的冻土进行了系统的研究朱强教授系统的研究了道路现场所观测到的数据，并以土体内部不同水分迁移量为基础对路基土的冻胀进行了分级[17];徐学祖教授等在实验室内分析了正冻土、已冻土的水分迁移现象，并且在道路测试断面现场观测了非饱和正冻土水分迁移现象[18];对于高玮度季冻区路基湿度场的变化特征，目前还没有充分的研究，同时季冻区路基土体内部湿度场数据的采集手段还不是很合理，

7、技术也相对不是很成熟，国内对于这方面的研究也不是很多。.2远程温湿度采集系统的开发2.1概述季节性冻土在我国境内广泛存在。季冻区路基土冬季冻结体积膨胀，不均匀冻胀会导致道路破坏，春季冻结的土体融化，路基内部含水率增大，路基处于过湿状态导致强度降低，在车辆荷载的作用下公路出现翻架而失稳破坏[46]。路基产生冻融破坏的直接因素是水分迁移的变化即土体湿度的变化，其次是随季节变化的温度。因此，连续获取季冻区路基土温度和湿度数据及其变化规律对防治路基冻融破坏具有重要意义。目前，国内还没有公路路基温度和湿度数据二十四小时全天候连

8、续采集和远程自动传输系统，温度和湿度测试系统多半是两套独立系统，需要现场采集，出行频率大、数据采集成本高且容易丢失，要同时得到连续准确的温度和湿度数据很困难，不利于掌握季冻区路基冻融变化规律。因此，开发一套温湿度数据可同时采集、数据信号可自动远程传输、数据储存合理和便于整理利用的远程采集系统非常必要。2.2总体设计季冻区路基温度湿度远程采集系统