多年凍土(permafrost)，又稱永久凍土，指的是持續三年或三年以上的凍結不融的土層。其表層冬凍夏融，稱季節融化層。多年凍土層頂面距地表的深度，稱凍土上限，是多年凍土地區道路設計的重要數據。多年凍土分為兩層：上部是夏融冬凍的活動層；下部是終年不融的多年凍結層。多年凍土是寒冷氣候(年均氣溫＜—2°C)區的產物。多年凍土分布面積約占地球陸地面積的25%，包括蘇聯和加拿大近一半的領土，中國22%的領土，美國阿拉斯加85%的土地；在南極和格陵蘭的無冰蓋地段和被冰蓋邊緣覆蓋的地下；南美和中亞的高山地區也有分布。除澳大利亞大陸外，地球上所有的大陸均有多年凍土分布，甚至地處赤道附近的非洲乞力馬扎羅峰頂也發現有多年凍土。圍繞極地的多年凍土為高緯度多年凍土。其分布有明顯的緯度地帶性，在北半球自北而南多年凍土分布的連

續性逐漸減小。北部為連續多年凍土帶，通常以-5°C年平均地溫等值線作為分布的南界。往南形成斷續或廣布多年凍土帶，其南界大致與-4C年平均氣溫等值線相符。再往南為高緯度多年凍土區的南部邊緣地區，形成島狀或散布多年凍土帶，其南部界線即為多年凍土南界。多年凍土南界以南、一定海拔高度上出現的多年凍土稱為高海拔多年凍土。分布有明顯的垂直帶性，其厚度一般自多年凍土出現的最低界線（即多年凍土下界）往上，隨高度的遞增而增加。多年凍土南界以南還分布有島狀多年凍土。它們是更新世寒冷期形成的多年凍土退化殘存的結果。如在西西伯利亞，多年凍土南界為北緯66°,而在63°N地下200米深處發現島狀多年凍土。島狀多年凍土有時出現在多年凍土區南緣的地下深處，與現代多年凍土一起構成雙層多年凍土。

如在西西伯利亞南部第一層多年凍土厚30?80米，其下有厚度為20?150米的融化層，該融化層下埋藏著殘余多年凍土。冰川下是否存在多年凍土取決于冰川冰溫度和厚度，一般講暖冰川底部溫度接近0°C,其下無多年凍土；冷冰川底部溫度低于0C,其下往往有多年凍土。在極地大陸架地區海底，有從過去寒冷期殘留下來的海底多年冷土。其溫度接近0C,其中很大部分因被海水所飽和，所以具有負溫卻不含冰，屬多年寒土；另一部分則為多年凍土，但含冰量通常不大。除地球上存在多年凍土外，一些學者推測月球巖石圈深處可能具有一定數量的地下冰。一些學者利用遙感技術發現火星表面上存在類似于熱喀斯特、多邊形裂縫、石冰川等的冰緣地貌，推測火星上多年凍土的平均厚度在赤道為1500米，在兩極為5000米。

中國的多年凍土面積約215萬平方公里，占世界第三位，主要分布在青藏高原，東北大、小興安嶺和天山、阿爾泰山。中國東北的多年凍土區位于歐亞大陸高緯度多年凍土區的南緣，其南端可達46.6°N。在北美,多年凍土分布的最南端為51°N。青藏高原的多年凍土區屬于高海拔多年凍土，是世界上中低緯度地帶海拔最高、面積最大的多年凍土區。U1-大半土上宙安主相尊?*fl 父一n3多年凍土多年凍土隨緯度和垂直高度而變化。在北半球，其深度自北向南增大，厚度自北向南減薄以至消失。如西伯利亞北部多年凍土的厚度為200米左右，最厚可達620米，活動層小于0.5米。向南到中國黑龍江省，多年凍土南界厚

度僅1?2米，活動層厚達1.5?3.0米。多年凍土的厚度由高海拔向低海拔變薄，活動層也相應增厚。如中國祁連山北坡4000米處多年凍土厚100米,3500米處僅22米！在青藏高原北部的昆侖山區，多年凍土厚180?200米，向南厚度變薄。無論在南北方向或者垂直方向上，多年凍土都存在3個區：連續多年凍土區；連續多年凍土內出現島狀融區；島狀多年凍土區。這些區域的出現都與溫度條件有關。年均氣溫低于—5°C，出現連續多年凍土區；島狀融區的多年凍土區，年均氣溫一般為—1?一5C。按凍土的成因分為：后生凍土層。是土層堆積后形成的，特點是含冰量少，多為整體結構或層狀結構，具裂隙冰；共生凍土層是與堆積土層同時形成的。特點是含冰量多，多為層狀或網狀結構。

確定融凍層（活動層）的深度（即凍土上限）對工程建設極為重要。最基本的方法是在融化最盛季節，通過坑探直接觀測，或通過電探確定凍土上限。在銜接的多年凍土區，可根據地下冰的特征和位置推斷凍土上限深度。同一地區、不同地貌部位和不同物質組成的多年凍土的上限也是不同的。易凍結的粘性土的凍土上限高；不易凍結的沙礫土的凍土上限低；河谷帶的凍土上限低，山坡或埡口地帶的凍土上限高。表明了巖性、水文、氣候、植被等對多年凍土活動層的影響。編輯本段厚度和溫度編輯本段厚度和溫度III多年凍土通常埋藏在地表下不深處，位于季節融化層（或活動層）下。活動層的厚度通常為20?30cm至2?3m。一般活動層的底板與多年凍土的上限相連，這種多年凍土稱為銜接多年凍土。有時活動層在冬季的凍結深度達不到多年凍土上限，在季節凍結層和多年

凍土上限之間隔著一層融土，便形成不銜接多年凍土。多年凍土上下限之間的距離即為多年凍土厚度。當充填在土粒孔隙和巖石裂隙中的水為淡水時，凍結以后形成的多年凍土下限與0°c地溫等溫線一致。當充填在土粒孔隙和巖石裂隙中的水為咸水或鹽水時，或當巖石無裂隙時，或不含水的土凍結時，多年凍土下限則與0C地溫等溫線不一致。在含有地下冰的多年凍土層下還存在著干寒土層和濕寒土層時，凍土層、干寒土層和濕寒土層組成多年冷土層。迄今為止，實測到的多年凍土最大厚度為1300米，見于蘇聯外貝加爾的烏達康山區56°N處;實測到的多年冷土層的最大厚度為1450米，見于雅庫梯西北、馬爾赫河源頭的北極圈緯度上。推測天山和帕米爾高山區的多年冷土層厚度可達2500?3000米。

多年凍土上層的地溫在一年內隨季節而變化。這種變化隨深度增加而衰減，至某一深度上，多年凍土的溫度在一年內相對穩定不變（一年內不超過±0.1°C）,這一深度為地溫年變化深度或零較差深度。地溫年變化深度一般為10?15米。該深度上的年平均地溫即為多年凍土的年平均地溫，通常為0?-15C。推測天山和帕米爾高山區道多年凍土年平均地溫低達-25C，南極的山地則為-40C。在年變化深度以下，多年凍土的溫度隨深度增加而升高，在多年凍土或多年冷土層的下限處達到0C。因此在凍土層中存在著地熱梯度，其值在不同的地區很不一樣，可由每20米變化1度至每100米變化1度。多年凍土厚度和溫度的變化也受緯度地帶性和垂直地帶性的控制。當其他條件相同時，在中國東北緯度每增加1度，多年凍土年平均地溫平均降低0.5C；在祁連山區海拔每升高100米，

多年凍土溫度降低0?6°C，厚度增加14?21米。編輯本段形成和演變當巖土的溫度降至0C以下,巖土中水就凍結形成凍土。如果該處地表一年中的吸熱量大于散熱量，冷季形成的凍土在熱半年全部融化，便為季節凍土。如果該處地表一年中的吸熱量小于散熱量，冷季形成的凍土在暖季不全部融化，年復一年，就成為多年凍土。 G-—■■Ct1心FV-dl?多年凍土多數多年凍土是在物質沉積之后自上而下凍結形成的，稱為后生多年凍土。在沼澤、沖積平原和洪積扇等堆積地區，有時在沉積過程中發生凍結，產生

自下而上凍結的多年凍土，稱為共生多年凍土。由后生和共生作用混合形成的凍土稱為多生凍土。在地球歷史上，多年凍土曾廣泛發育。迄今為止，有據可查的最老的多年凍土位于北極北部，自60萬年前形成后一直保存到現在。中更新世的多年凍土也有一部分保留到現在，如蘇聯中雅庫梯的多年凍土，其年代距今至少10萬年。晚更新世時，蘇聯多年凍土南界南進到48°N處，中國多年凍土南界達到北緯39°?40。，北美多年凍土南界至少比現在的位置南推2000公里。全新世時期，多年凍土逐漸向北退縮。北極地區一些近海低地的多年凍土開始退化，成為現今的海底多年凍土。晚更新世時在蘇聯歐洲部分北部和西西伯利亞形成的多年凍土并沒有全部融化，而以殘余凍土的形式保存下來。中國滿歸以北和西部高山高原區海拔較高處的多年凍土也沒有全部融化。約2000?3000年前出現了新冰期，多年凍土重

新發展。在西西伯利亞北部，新形成的多年凍土與更新世殘余多年凍土銜接在一起；在南部，新形成的多年凍土覆蓋在融化層上，故與融化層下的殘余多年凍土組成雙層多年凍土。這一時期凍土的范圍比更新世時小，所以在新冰期的多年凍土南界以南的地下深處仍有更新世殘余多年凍土存在。中國東北這一時期的多年凍土南界已超過了現今多年凍土南界的位置。距今約700年前開始的小冰期，北半球多年凍土南界位置的變化很不一致，有的南進，有的北退。現代多年凍土處在變化之中。從全球范圍看處在退化階段，但不排除局部地區的多年凍土出現加積的可能。編輯本段高原多年凍土地區處治結構研究國內外研究概況?用抗拉強度高的材料加固土壤并非新的想法，中國古代修筑萬里長城的

許多部位就采用蘆葦和竹筋加固。幾個世紀以來，云杉樹一直被用來加固軟弱地基上的路堤。二十世紀中期，土工合成材料以其性質均勻、強度高、韌性好、耐腐蝕、與土之間的連鎖作用強等特點在世界各國迅速推廣。二十世紀60年代，法國和美國修建了第一批用現代土工合成材料加固的土工結構物，當時，聚合材料是用來加固排水性能良好的回填土。1966年，美國DuPont公司開發并生產了Typar型土工織物，應用于加固海岸邊坡、防止人造砂灘沉入淤泥質湖岸、加固軟弱地基等工程中。英國的Netlon公司近年來改進了土工格柵的生產工藝，并將土工格柵鋪設在軟弱地基上，用來增加路堤土體的長期穩定性。德國的Huesker合成纖維公司還將其生產的Hatelit土工格柵應用到加固路面工程中。據報道，這種格柵可增加瀝青層底的抗拉強度，吸收層間的大部分水平拉應力，同時還可將瀝青層

內產生的拉應力擴散到一個較大的范圍內。1991年，蘇格蘭的Sutherland鎮在新建道路路面結構層內增設一層土工格柵加固層，用于防止車轍及路面裂縫，并取得了很好的效果。我國將土工合成材料應用到道路工程中在70年代還不太普及，進入80年代才迅速推廣。如：在軟弱土基與粒料基層間鋪設土工格柵夾層用來改善軟弱土基的承載能力；在路堤填土內水平層狀鋪設格柵，用來加固路堤；用作基層和面層間的界面層防止基層裂縫的反射；加固臨時道路；用作路堤和道路工程中的水平排水層；用于巖面防護等。應用土工合成材料處治縱向裂縫，此類問題屬于連續介質中存在裂縫缺陷的問題，在路面力學分析中常用的彈性層狀體系理論與彈性地基板理論顯然不適合分析這類問題。斷裂力學是分析研究裂縫問題的學科，目前發展得也比較完善，但其計算參數的確定很復

雜，這些參數與目前路面設計參數也不匹配，使得計算結果不易在設計方法中應用。相對而言，有限元法則是簡單、有效、可行的方法。有限元方法作為一個強有力的數值分析的工具在道路結構的分析中起到了越來越重要的作用。應用有限元方法進行結構的分析主要有以下優點：1、 在模型中反映各結構層材料的特性；2、 模擬各結構層之間的聯結；3、 在一定程度上模擬邊界條件和荷載；4、 模擬結構的不均勻變形；5、 提供大量的結構反映信息，如應力、變形的全過程；6、 部分代替試驗，進行大量的參數分析，為制定設計規范和標準提供依據問題的提出？

地球上的多年凍土面積約為35X10平方公里，而我國的多年凍土面積約為215萬平方公里，位居世界第三，主要分布在東北大小興安嶺，西部高山和青藏高原等地。近年來，我國先后組織力量對青藏公路進行了普查，調查發現青藏公路存在路面橫裂、網裂、路基沉陷、波浪、縱向裂縫等病害。青藏公路病害的整治一直被視為世界性的難題。為治理多年凍土地區路基的病害，國內外也采用了多種措施進行了探索，淺色路面、聚苯乙烯或聚氯乙烯隔離層、泥炭土墊層、橫向護坡道、冷管、預融、冬季施工、地表覆蓋層、斜熱虹吸管、土工織物加筋、輕質回填材料、橋基礎及通風路堤等。1972年~1984年青藏公路改建為瀝青路面，由于瀝青路面的吸熱作用加上全球氣候變暖造成多年凍土邊緣地帶凍土退化，凍土上限下降，從而加劇了路基不均勻沉降變形等病害。90年代對病害嚴重路段進行了兩期整治。1992年?1996

年為一期整治，全長339km,1996年?1999年為二期整治，累計長度204km,零星整治路段60km。一期整治對路面波浪起伏和路基沉陷變形等病害的治理有了一定的效果，但路基路面縱向裂縫較八五改建工程嚴重，高出約三倍。縱向裂縫的規模巨大，最大寬度可達30cm，最大深度可達2.5m，裂縫斷續延伸可達500m?600m。近幾年來，土工合成材料在我國公路工程中得到了廣泛的應用，以其可以組成各種形式結構、適應多種條件等特點受到工程界的歡迎。在舊水泥混凝土路面改造、加筋陡邊坡及處治路基不均勻沉降等方面均有應用，并取得了較好的效果。本課題針對該情況采用土工合成材料處治青藏公路縱向裂縫，通過采用單層土工格柵、柔性枕梁、柔性枕梁加土工格柵等結構，從深層次解決青藏公路縱向裂縫的危害問題。通過理論分析揭示處治機理，進一步完善處治結構，以達到減少和延緩路基路面的再次

開裂的目的，并滿足耐久性的要求。通過對試驗路的觀察測試與分析，驗證結構的穩定性，并選擇出既能延緩和減輕路基病害，又便于施工的結構形式，以便為凍土地區病害的整治與施工提供依據。主要研究內容及技術路線？本文使用三維有限元法對單層土工格柵處治結構、柔性枕梁處治結構、土工格柵加柔性枕梁處治結構及土工格柵加筋路堤邊坡處治結構進行了力學計算，對基層應力、面層最大彎沉及土工合成材料應力作了深入分析。首先建立處治結構的計算模型，然后考慮汽車荷載在路面上的各種可能作用位置，分析了荷載位置、計算參數及路基變形的影響規律，還將各處治結構之間進行了對比分析及結構破壞分析，以便能夠采取措施防止結構的破壞。在對凍土地區的病害進行大范圍的整治之前，修筑一定長度的試驗路段

是非常必要的。通過修筑試驗路，進行施工優化組合，以便發現問題，加以解決，總結經驗以指導大面積的施工。本課題的試驗路主要針對直線型及邊坡圓弧型兩種縱向裂縫，試驗路總長度287m，主要集中在安多、雁石坪、五道梁地區。邊界條件及計算參數？模型邊界條件為土基底面為完全固定面；x軸方向和y軸方向的邊界節點水平方向位移為零；模型的上表面是自由的。計算參數主要根據《公路瀝青路面設計規范》選用材料設計參數。土基回彈模量根據二級自然區劃確定。青藏公路主要集中在訓3區，土基回彈模量為20Mpa?80Mpa。面層為瀝青碎石混合料，彈性模量為1200Mpa?1600Mpa。基層為水泥穩定碎石，彈性模量為1300Mpa?1700Mpa。

土工格柵層為了計算方便，將其簡化為2mm厚的各向同性的彈性層。處治結構用的土工格柵為ss20聚丙烯，應變2%時的抗拉強度為7KN/m，其割線模量為175Mpa，應變5%時的抗拉強度為14KN/m，其割線模量為140Mpa，因此將土工格柵層的彈性模量定為160Mpa。一最后選用的計算參數如表2-1所示。有限元計算用材料參數表2-1結構層彈性模量E/XIOMPa泊松比u面層1.2?1.60.25基層1.3?1.70.25土工格柵層0.160.25土基0.02?0.080.3模型尺寸及單元劃分?

模型尺寸：在計算時模型尺寸主要以工程實際尺寸為依據。圖2-5模型尺寸示意圖（cm）土基尺寸的確定：在實際的路面結構中，地基為彈性半空間體，在確定土基長度、寬度及深度之前對基層的最大應力Ox、oy、Tyz進行了收斂性試算分析，其中不同土基寬度（12）對基層應力的影響如表2-4所示，不同土基長度（L3）對基層應力的影響如表2-5所示，不同土基深度（h4）對基層應力的影響如表2-6所示。土基尺寸收斂性試算分析選用計算參數如表2-3所示。有限元計算用基本參數表2-3結構層彈性模量E/XIOMPa泊松比u面層1.40.25基層1.50.25土工格柵0.160.25

層土基0.060.3h1=5cmh2=20cmh3=0.1.2m裂縫