青藏鐵路凍土沼澤化斜坡濕地路基穩(wěn)定性研究

婁國充  岳祖潤  劉堯軍

石家莊鐵道學院　河北石家莊050043

引言

    青藏鐵路唐古拉山至安多段分布著大范圍的凍土沼澤化斜坡濕地。該地段凍脹變化大，熱融后強度迅速降低，并存積大量的凍結(jié)層上水，形成沼澤化濕地，而且地基存在橫向斜坡，凍結(jié)層上水會沿坡向流動，降低潛在滑動面上土的強度，嚴重影響鐵路路基的穩(wěn)定性[1]由于路堤的修建可能導致凍土的上限發(fā)生變化，也將引起路基穩(wěn)定性的變化，因此，研究凍土沼澤化斜坡濕地路基穩(wěn)定性受凍土融化深度和溫度分布的影響規(guī)律，提出凍結(jié)層上水的處理方法，從而達到路基穩(wěn)定的目的，是青藏鐵路路基科研的重要課題。本文結(jié)合青藏鐵路唐古拉山至安多段的沼澤化斜坡濕地鐵路路基進行了試驗研究，取得了一些科研成果，為今后類似工程和青藏鐵路的運營管理提供了參考資料。

1、工程概況

    試驗段里程范圍：DKl487+717～DKl487+880，長163m。地處青藏高原腹地，位于頭二九山埡口北山前緩坡上(唐古拉山至安多段)，多年凍土區(qū)內(nèi)。屬高原亞干旱氣候區(qū)，海拔在4870～5000m之間。空氣稀薄，氣壓低，含氧量少，蒸發(fā)量大于降水量。年平均氣溫一2.9℃，四季不明，寒冷期長，每年9月底至次年5月為冰凍期，最低氣溫出現(xiàn)在1月份，最高氣溫出現(xiàn)在7月份。

    地層主要為第四系全新統(tǒng)角礫土，下伏基巖為侏羅系灰?guī)r。分述如下：①角礫土，分布于上部地層，棕色、灰色，厚度1～13m，成分以灰?guī)r為主，尖棱狀，顆粒不勻，含土量較大，Ф>20mm約占25％，Ф10～20mm約占20％，Ф2～10mm約占l5％。余為砂土充填。

    多年凍土上限以上：潮濕、中密，Ⅱ級普通土，σ0=300kPa，不凍脹。多年凍土上限以下：少冰、多凍凍土，Ⅵ級軟石，σ0=600kPa，不融沉。②灰?guī)r：主要分布于地表以下。深灰色，塊狀構(gòu)造，鐵鈣質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理發(fā)育，多年凍土上限以上：全風化一強風化，巖芯呈角礫狀、碎塊狀，Ⅲ級硬土，σ0=150kPa。多年凍土上限以下：全風化一強風化，飽冰凍土，Ⅵ級軟石，σ0=250kPa。③含土冰層：渾濁一半透明狀，厚度0～1m，體積含冰量80％，融化后巖土分離，主要以灰?guī)r為主，Ⅵ級軟石，融陷。④灰?guī)r，灰色，塊狀結(jié)構(gòu)，全風化一強風化富冰凍土，Ⅵ級軟石，σ0=280kPa，融沉；多冰、少冰凍土，Ⅵ級軟石，σ0=350kPa。

    本段位于多年凍土區(qū)，地下水主要為暖季分布的凍結(jié)層上水，受大氣降水補給，地下水位不穩(wěn)定，局部地表有出露。水質(zhì)具硫酸鹽中等侵蝕性。

2、凍土沼澤化斜坡濕地路基穩(wěn)定性影響因素及工程措施

    2.1影響因素分析

    在凍土地區(qū)沼澤化斜坡濕地上修建鐵路路基，影響其安全穩(wěn)定的因素很多，結(jié)合青藏鐵路唐古拉山至安多段二九山埡口北山前的濕地斜坡分析，主要有以下影響因素：

    (1)地基斜坡的影響。由于地基斜坡的存在，使路基溫度常年在穩(wěn)定狀態(tài)下表現(xiàn)為明顯的不對稱，使路基體內(nèi)季節(jié)性融化深度不一致和不同步，從而導致路基的失穩(wěn)或開裂。

    (2)地基強度影響。地基土熱融后強度降低明顯，同時地基表層存積大量的凍結(jié)層上水，形成沼澤化濕地，將加大路基土的進一步融化以及沉降變形和沿坡向的水平移動。

    (3)地表水的影響。在沼澤化斜坡濕地地區(qū)修筑路基后不但路基體內(nèi)融化水難以排出，而且路基體外大量的凍結(jié)層上水會沿坡向流入路基體內(nèi)，致使路基體內(nèi)含水量大幅增加，冬季來臨嚴重的凍脹，導致路基發(fā)生嚴重變形，熱季發(fā)生融塌，導致路基整體或局部失穩(wěn)，影響路基的正常運營：

    (4)溫度場變化的影響。隨著路基的填筑，沼澤化斜坡地區(qū)地表形狀發(fā)生變化，周圍環(huán)境被人為改變，這些都極大地改變了原天然地面的熱量平衡狀態(tài)，使得路堤下的多年凍土上限發(fā)生變化，逐漸下移，致使多年凍土融化，對路基的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

    2.2工程措施

    為了減小地基強度降低、地表凍結(jié)層上水侵入和人為凍土環(huán)境破壞的影響，設計過程中采取了不同的工程措施，以保證路基的穩(wěn)定性，采取的工程措施有：①在路基下部設置lm厚度的片石層；②在路基體內(nèi)設置雙向土工格柵；③在路基上游設置隔水板和擋水堤等隔水措施；④路基采用片石護坡，路基結(jié)構(gòu)斷面加圖l．

圖1  路基結(jié)構(gòu)及測點布置圖

3、路基穩(wěn)定性監(jiān)測

    3.1監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測點布置

    由于鐵路路基的施工，周圍凍土環(huán)境發(fā)生了改變，多年凍土上限因此也會發(fā)生改變。為了了解和掌握凍土路基溫度場隨路基填土的改變規(guī)律及其對路基穩(wěn)定性的影響，研究沼澤化斜坡濕地鐵路路基的合理結(jié)構(gòu)形式，我們選取DKl487+726斷面進行了現(xiàn)場長期監(jiān)測，試驗從2003年8月開始。監(jiān)測項目主要有路基和地基溫度場的變化規(guī)律、路基水平位移以及路基上游設置擋水板的擋水效果。斷面測試點布置如圖1。

    3.2監(jiān)測結(jié)果分析

    3.2.1溫度場監(jiān)測結(jié)果及分析

    路基溫度場測試從2004年7月開始測試，至2006年9月，共監(jiān)測2年零2個月，測試結(jié)果如圖2、圖3、圖4。根據(jù)測試資料可以知道，各測溫處不同年份人為上限的變化如表l。

表1  不同年份人為上限距路基頂面深度

   從測試結(jié)果可以看出，路基范圍內(nèi)地基溫度在路基填筑施工完成經(jīng)過一個凍融循環(huán)后發(fā)生了較大變化，原有天然上限以上地基土溫度已為負溫，而凍土上限發(fā)生了明顯的提升，有逐年抬高的趨勢。從表l的三個凍融循環(huán)看，路基填筑完工后前兩年抬升普遍較高，約2.8～3.2m，以后每年抬升在10～20cm左右，最后趨于穩(wěn)定。說明該地區(qū)路基填土后基體內(nèi)回凍較快，有利于路基的穩(wěn)定性。分析觀測資料發(fā)現(xiàn)在路基體內(nèi)由于斷面形式的不同，地溫隨著時間的不同而發(fā)生變化。在DKl487+726斷面的拋填片石層上下面(路基基底和天然地表)，在冬半年和夏半年地溫變化較大。特別是路基左側(cè)路肩處，在冬半年，相對其他深度地溫明顯的低2～3℃，而在路基右側(cè)路肩處只有路基基底處明顯下降，這主要是基底片石通風所致。而由于路基左側(cè)處于陰面，所以地基溫度下降較大。由此可見，路基基底拋填片石通風有利于保護地基凍土穩(wěn)定性。

    根據(jù)不同時期地溫測試結(jié)果，可以準確地得出在路基填筑后凍土上限即人為上限的變化情況，如圖5。由圖中可以看出，由于路基填筑對地基的影響，凍土上限被人為地改變。根據(jù)測試結(jié)果判斷，DKl487+726斷面處人為上限抬升幅度為：2004年約3.6m．2005年約4.0m，2006年約4.2m；由此可看，路基填料對原有天然地基沒有造成大幅升溫現(xiàn)象．人為上限能夠快速提升，有利于路基穩(wěn)定性。

    3.2.2路基水平位移監(jiān)測結(jié)果及分析

    為了能夠直觀了解凍土沼澤化斜坡濕地路基的穩(wěn)定性，我們分別在DKl487+726左右路肩處埋設了水平位移測斜管(如圖l)。測斜管于2003年8月20日埋設完成，2003年9月開始測試工作，直至2006年9月，水平位移監(jiān)測時間共計3年，測試結(jié)果見圖6、圖7。圖中負值表示位移方向指向左側(cè)，即指向路基外則。

    從測試結(jié)果可以看出，監(jiān)測期間內(nèi)路基整體水平位移均很小，其中中問片石層的頂部和底部水平位移小于0.3～0.4cm，表明片石層處不存在滑動層，片石與路基填土已經(jīng)形成整體；地基內(nèi)土石分界處水平位移為零，表明路基整體沒有發(fā)生滑動，整體穩(wěn)定性較好；最大位移發(fā)生在路肩處，左側(cè)路肩水平位移為0.9cm，右側(cè)路肩水平位移量為0.53cm，位移值均很小，且有逐年減小的趨勢，說明路基沒有發(fā)生水平滑動、路基體開裂和局部的滑坍現(xiàn)象，路基整體與局部穩(wěn)定性良好，均能滿足線路運營要求。

圖6左側(cè)路肩深度水平位移曲線

圖7右側(cè)路肩深度水平位移曲線

    總之，經(jīng)過3個凍融循環(huán)期對路基不同深度水平位移的不間斷監(jiān)測表明，路基的水平位移逐漸減小，路基處于穩(wěn)定狀態(tài)，路基體內(nèi)加設片石層和土T格柵有利于保證路基的整體與局部的穩(wěn)定安全。

    3.2.3擋水板隔水效果分析

    為了防止路基上游地表水和上層凍結(jié)上水滲透或流入路基體內(nèi)，對路基的長期穩(wěn)定性造成隱患，在路基的迎水面距離路基5m處設計了擋水埝。擋水埝的設計參數(shù)為：高度1.5m，頂面寬度1.Om，邊坡坡度比1：1.5，采用路基填料填筑。為了阻止地基的凍結(jié)上水的滲透，在擋水埝中心線下縱向布設了1.2mm厚度的PVC隔水板。同時我們對隔水板兩側(cè)地基土的含水量進行了長期監(jiān)測，測試結(jié)果如圖8。

圖8擋水埝兩側(cè)含水量測試結(jié)果

    從試驗結(jié)果分析，擋水埝兩側(cè)地基土含水量在每年的7～9月份較大，主要是大氣降雨而形成的凍結(jié)層上水，一般存在于地層2．0m以上。而在此暖融期內(nèi)，擋水埝左側(cè)地基土含水量遠低于右側(cè)地基土含水量，說明擋水埝下設隔水板能夠有效隔阻凍層上水流入路基主體，有利于路基的穩(wěn)定安全。

4、結(jié)論

    青藏鐵路凍土沼澤化斜坡濕地路基的整體穩(wěn)定性主要受溫度場變化和地表水的影響，局部穩(wěn)定主要受路基土凍脹影響。路基設計采用下部加設片式通風層、中部或上部增設土工格柵、路基迎水側(cè)設擋水設施，結(jié)構(gòu)合理，能夠有效解決沼澤化斜坡濕地鐵路路基的穩(wěn)定問題。路基底部采用片石通風層能夠發(fā)揮通風制冷的作用，可以人為地提高凍土上限，路基上游采取隔水措施可以有效阻止地表水浸入路基體內(nèi)，均是提高路基整體穩(wěn)定的有效措施；而在路基體內(nèi)設置土工格柵和片石護坡可以避免路基體開裂和局部坍塌，也能夠提高路基的整體與局部的穩(wěn)定性。

參考文獻

[1]  王鐵行，胡長順．多年凍土地區(qū)路基溫度場和水分遷移場耦合問題研究[J]．土木工程學報，2003，36(12)：93— 97

[2]  張魯新，原思成，楊永平，青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形裂縫發(fā)生機理及防治[J]．第四紀研究，2003，23(6)：604—608

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)