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沥青路面太阳热反射涂层组成设计及路用性能研究
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沥青路面太阳热反射涂层组成设计及路用性能研究
官方公共微信年冻土可分为低温多年冻土区（年平均地温&-；2、214国道沿线地区海拔略低、经纬度偏南东、气；3、当前公路穿越的东北多年冻土均属于岛状多年冻土；3.4一般路基横断面结构研究；1、由于沥青路面强烈的吸热与阻滞蒸发的作用，造成；图7两种路面条件下路堤基底垂直方向平均热流密度；2、通过数值模拟研究得出低温冻土区冻土路基临界高；0路基临界高度：H0?0.054
年冻土可分为低温多年冻土区（年平均地温&-1.5℃）与高温多年冻土区（年平均地温≥-1.5℃）。低温区冻土相对较为稳定，可采用一般的被动保温的工程措施，而高温高含冰量路段路基极不稳定，融沉变形较大，对其保护冻土的工程措施应相对慎重，可采用主动冷却的工程措施；
2、214国道沿线地区海拔略低、经纬度偏南东、气温略高，冻土温度偏高，基本属高温冻土，多年冻土层较薄，冻土处于不稳定状态，在人为作用下消融退化比较迅速。沿线多年冻土平均地温除鄂拉山山顶和巴颜喀拉山垭口段地温在-1.5℃左右外，其它地段多年冻土的地温均在-0.5～-1.0℃左右。
3、当前公路穿越的东北多年冻土均属于岛状多年冻土，均分布于低洼沟谷的沼泽化湿地以及河谷阶地背阴地带，地表积水，塔头草生长茂密，草炭、腐殖泥炭及淤泥土发育，水分补给充分；多年冻土的物质成分主要为粘性土、淤泥、泥炭，在部分粗砂、细砂及砂砾石中也见存在。多具整体状、微层状、层状冻土构造，属于多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土以及含土冰层；冻土地温比较高，地温为-0.06～ -0.98℃。多年冻土上限为1.0～2.6m，下限为3.0～6.0m，厚度为1.0～5.2m，个别路段冻土厚度大于12 m。
3.4 一般路基横断面结构研究
1、由于沥青路面强烈的吸热与阻滞蒸发的作用，造成沥青路面下多年冻土的生存条件较砂砾路面更为严峻。这两种路面结构也在一定程度上反映了多年冻土区铁道工程与公路工程的差异。数值模拟研究得出沥青路面下路堤基底年均吸热能力较砂砾路面强1.68倍（如图7所示），造成沥青路面下人为上限较砂砾路面下移2.3m，年平均地温升高0.6～0.8℃。结果表明沥青路面热效应影响更为强烈。
图7 两种路面条件下路堤基底垂直方向平均热流密度
2、通过数值模拟研究得出低温冻土区冻土路基临界高度的动态变化规律，提出路基合理高度的概念及确定方法，并将其引入路基设计，改进了路基高度的设计方法。
0路基临界高度：H0?0.0542?(t0?5?h天?4.7876
0路基合理高度：H合?0.0542??t?1.1045?h天?4.7876
路基设计高度：H设=mH合 +S
路基合理高度存在的地温条件：T0???T0??t?1.5 ?t
式中：t0―设计路基时的年份；h天―路基设计所在年份的天然上限（m）；?t―道路设计年限（a）； T0 ―年平均地温（℃）；0?T0―年平均的变化率，即增温速率；m―综合修正?t
系数。结合公路沿线冻土类型、上限深度及已成路基季节融化层含水量情况进行验算确定，
上限浅，含冰量大者取高值，反之取低值；S―季节融化层压缩沉降量。
3、在多年冻土区修建高等级公路，由于路面宽度的增加将导致冻土路基内热量积累更加严重。数值模拟研究得出当路基宽度增加2.4倍时，通过路堤基底每年平均吸收的净热量则增大1.9倍，路基内吸收的热量使多年冻土人为上限下移2.49～2.85m，融化盘厚度增大3.19倍，其宽度增大1.82倍（如图8所示），多年冻土年均地温升高。上述研究揭示在该类地区修建宽幅的高等级公路将面临更严峻的形势，采取主动有效的降低路基温度的工程措施才是解决这一关键工程问题的根本保证。
图8 两类路基下融化盘形态的对比
4、边坡坡度对人为上限、年平均地温及融化盘等路基温度场特征要素具有一定的影响，但影响均不显著，因此认为边坡坡度不应作为考虑路基热稳定性的主要影响因素，应根据当地的工程地质及水文地质条件，从力学及工程实际情况选择合适的边坡坡度。
5、从青藏公路保温护道段地温观测分析与数值模拟两个角度研究了保温护道对路基地温特征的影响规律。结果表明：
① 从路基热稳定性的角度而言，保温护道对路基地温特征的影响不显著，因此保温护道不应作为考虑路基热稳定性的影响因素。
② 在高温多年冻土区，如果是新修路堤或路堤两侧地表环境未遭到严重破坏的情况下，考虑到护道表面较天然地表强的吸热作用，不宜修筑保温护道。
③ 在低温高含冰量多年冻土区，路基高度大于临界高度，路基内形成较为明显的冻结核时，可以修筑保温护道，用以减小或消除坡脚融化盘。
④ 多年冻土区当为满足高路基边坡的力学稳定性而设置护坡道时，应当在护坡道表面铺筑碎石层或草皮，利用碎石层或草皮的热学效应改善护坡道对路基温度场的负面影响。
3.5 调控地温的特殊结构路基研究
1、在青藏公路与国道214线多年冻土区修建一系列特殊结构路基的试验工程，包括XPS、EPS保温隔热路基、碎块石路基、热棒路基、遮阳板路基及硅藻土护坡路基，目的是研究特殊结构路基的工程应用效果。
2、通过数值模拟、室内试验及野外试验工程观测，研究了设置保温隔热板、碎石、热棒、遮阳板、硅藻土护坡等措施的特殊路基结构对路基稳定性的影响规律。结果表明：
① 低温冻土区EPS板显著增加热阻，提高人为上限；从热学角度提出了保温隔热层合理厚度及等效路基高度的计算表达式；但暖季板底仍存在正温区，同时冷季板体阻碍热量的散发，这种潜在的热积累对高温冻土区十分不利，极高温冻土敏感区不宜使用EPS隔热板。
图9 保温隔热路基施工前后
② 提出以自然对流指数表征路基碎石层引起的冬季自然对流降温效应的强度和持续时间；揭示碎石路基不仅在冬季具有较强的主动冷却路基的作用，夏季由于碎石层导热系数低于一般路基填料也具有一定的保温隔热作用，碎石层路基是符合青藏高原实际的经济合理的路基结构形式；在分析自然对流指数的基础上，提出碎石层铺筑的合理厚度应大于50M并以60～80M为宜，碎石粒径以4～6M最佳，铺筑位置宜靠近路面基层下部（路基顶部）；同厚度碎石层宽度越大，对流降温效果越强。
图10 碎石路基施工
图11 碎石边坡施工完成后
③ 提出了热棒路基的等效传热模型，根据青藏公路环境特点，得出了热棒工作的周期约为5个月，在工作周期内热棒并非连续工作而是波动式的，实际工作时间为工作周期的2/3；热棒路基冬季降温效果明显，显著提高冻土人为上限，有利于土体储备冷量，热棒的有效工作半径为2.25m以内；路基双侧设置热棒优于单侧，斜置热棒优于竖置。
图12 热棒路基施工完成前后
④ 遮阳板能显著降低地温，抬升路中与阳坡侧人为上限，更有利于冻土路基热稳定；遮阳板遮蔽太阳对路基直接辐射的时效性是常年的，在暖季表现得更突出一些；试验工程路段近3年来使用状况良好，较对比断面整体路基变形小，变形相对均衡平稳，左、右路肩变形基本一致，路面没有明显的病害；而对比断面坡面和路肩变形向阳面与背阳面有较大差异，其路面也有少许纵向裂缝等病害，整体状况较遮阳板断面差。总之，遮阳板工程措施可调控阴阳面吸热不均，治理融化盘偏移，不均匀沉陷，路基纵向裂缝等病害。既可用于新建路段，也可用于旧路潜在病害路段的早期治理与防控。
图13 遮阳板路基工程应用效果
图14 遮阳板路基施工完成后
⑤ 研究了硅藻土护坡在214国道的工程应用效果，结果表明由于该地区气候干旱，使硅藻土护坡未能发挥热二极管的降温效能，建议该地区不宜采用，并提出硅藻土护坡的应用条件。
3、对比各类冷却路基工程措施的适应性与优缺点如下：
① 当计算压缩沉降量超过路基容许沉降量，路基设计高度由于路线纵坡控制不满足临界高度或不经济时，路堑处或翻越垭口处需要进行换填保护下伏多年冻土的等等区段可以考虑选用隔热层路基。该类保温隔热路基适合应用于低温多年冻土区，在高温多年冻土区应配合主动冷却的工程措施。
② 片、块、碎石路基适用于高温冻土区，地质断裂带地下泉水发育区段，松散堆积层，地面横坡较大，路基层上水河地表径流较发育的区段。另外，片块石路基可用于治理地下水或冻结层上水较为发育区段的路基病害。碎石坡面主要用于路基下融化盘偏移严重的路基病害路段。碎石路基施工标准如压实控制等现在还不完善，施工期间碎石层空隙率不易检测与控制。全断面施工过程中振捣压实时碎石向两侧滑移，压实度较难达到设计要求。
③ 对于热棒路基，在实际应用中应根据地温特点、工程造价等斟情选择：第一，在施工条件允许并不损失热棒致冷效果的情况下应尽可能斜置热棒；第二，在极高温冻土区及冻土退化区应尽可能埋置双向热棒，并保持适当的路基填土高度；第三，在中高温冻土区，如果人为上限较大，可选用双向热棒冷却路基，如果融化盘因阴阳坡的影响而偏移，应考虑在阳坡设置单向热棒；第四，在低温冻土区，应优先考虑抬高路基高度。
④ 遮阳板路基可调控阴阳面吸热不均，治理融化盘偏移，不均匀沉陷，路基纵向裂缝等病害，既可用于新建路段，也可用于旧路潜在病害路段的早期治理与防控。在多年冻土区热胀冷缩严重，面板易变形、损坏；另外遮阳板骨架与板材也较易受人为损坏或破坏，设计者应考虑选用不易被损毁的板材以及设计合适的骨架结构。
⑤ 对于硅藻土护坡，需改良并提高其持水能力，注意以下两点，一是应用于秋季降雨较多的多年冻土地区，二是在应用于气候干旱区的多年冻土地区时，要及时养护，尤其是要在冻结期到来之前充分让硅藻土饱和。
3.6 冻土路基稳定性评价研究
研究总结了冻土热稳定性的定量评价指标，并根据青藏公路沿线长期地温观测资料，对青藏公路的多年冻土区进行了热稳定性分类。相应的热稳定性分类为：（Ⅰ）热稳定型多年冻土；（Ⅱ）热稳定过渡型多年冻土；（Ⅲ）热不稳定型多年冻土；（Ⅳ）热极不稳定型多年冻土。
3.7 多年冻土地区路基设计与施工技术研究
1、系统总结了路堤、路堑及零断面路基的设计与施工技术，主要内容包括设计原则与方案的确定、路基填料与施工季节的选择、施工工艺与质量控制等。
2、分别提出路基填挖过渡段，路基与桥涵过渡段，融区与多年冻土区过渡段，高低含冰量冻土过渡段的路基处置对策。
3、编制了《多年冻土地区公路路基设计与施工技术指南》。
四、创新与突破
1、以阴阳坡效应为标准，将路基病害分为低路基与高路基病害，定性分析了融化核、冻结核对路基病害影响规律，并提出高路基病害的治理方案。
2、在已有 “保护冻土，控制融化速率、综合治理”的路基设计原则基础上，提出“制冷阻热、减少辐射、增强对流、主动保护、综合治理、积极预防”这一新的路基设计原则，并提出一般结构路基的设计方法，系统总结了路堤与路堑的施工技术。
3、首次系统地研究了路面性状、路基高度、路基宽度、边坡坡度及防水护道对路基温度场的影响规律，优化了路堤典型横断面结构。
4、通过数值模拟研究得出低温区冻土路基临界高度的动态变化规律，首次提出路基合理高度的概念及确定方法，并将其引入路基设计，改进了路基高度设计方法。
5、研究得到了保温隔热材料、碎石、热棒、遮阳板、硅藻土护坡等措施对路基稳定性的影响规律。提出了特殊结构路基的设计方法。
6、首次系统提出了填挖过渡段、路基与桥涵过渡段、融区与多年冻土区过渡段、高低含冰量冻土过渡段的路基处置对策。
7、提出冻土路基热稳定性评价指标及其相应的分类。
五、人才培养
本研究项目共投入主要研究人员50人，其中，具有高级职称的研究人员30人，具有中级职称的研究人员15人，其他研究人员5人。
通过本项目的实施，各参研单位的科研能力与水平均有了不同程度的提高，在项目主要研究人员中，8人从副高级职称晋升至正高级职称，由6人从中级职称晋升为高级职称，6人从初级职称晋升为中级职称。2人攻读博士学位，6人攻读硕士研究生或工程硕士。
六、问题与建议
我国广袤的多年冻土区大多处于经济欠发达地区，道路等级普遍偏低，交通基础设施已成为制约广大农牧民群众提高生活水平的瓶颈问题。西部大开发，交通基础设施要先行。目前，青、藏两地区间公路，两地与周边省区及口岸公路，特别是青藏境内西部大通道和国道的改造升级正在加快进程，北京至拉萨高速公路也已纳入国家高速公路网规划。在振兴东北的战略安排中，交通建设同样具有举足轻重的作用。在此一系列寒区开发的战略计划中，冻土问题将仍然是工程建设不可回避的难点。作为公路交通行业寒区道路工程研究的专业机构，我们将本着“精心研发，开拓创新，研产结合，服务第一”的工作方针，以“攻克寒冷地区公路建、养关键技术，推广应用新结构、新技术、新工艺及新材料，为寒冷地区的公路勘察设计、施工、管理及养护、改建等提供技术支撑，提高寒区交通设施的使用品质和使用寿命”为己任。
在充分研究寒区道路工程研究现状的基础上，针对寒区现有大量道路需改建以及众多高等级公路需新建的特点，提出如下两点建议：
1、进一步加强研究成果的推广应用，扩大规模与范围，为寒区道路后续的养护改建与新建高等级公路积累工程经验；
2、对依托工程和各种试验工程进行长期观测，不断积累观测资料，为寒区道路工程的长期气候效应研究奠定坚实的数据基础。
首先感谢交通部西部交通建设科技项目管理中心，对中交第一公路勘察设计研究院、中
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