運(yùn)營期多年凍土區(qū)斜坡路堤的下變形邊界探討

楊讓宏，朱本珍

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081;2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州730000)

當(dāng)作為二維問題分析時(shí)，通常取路堤斷面，其研究范圍可分為兩類，即溫度范圍和變形范圍。兩類范圍中，左右兩側(cè)邊界界限可取相同而對(duì)于其分析結(jié)果的影響不大，所以，通常需要重點(diǎn)關(guān)注其下邊界的界限位置。對(duì)于溫度變化范圍的下邊界，目前的研究已經(jīng)取得了認(rèn)同。研究人員大多認(rèn)為最大融化深度(或人為上限)處為力學(xué)強(qiáng)度的薄弱面，控制著多年凍土斜坡穩(wěn)定性。例如，牛富俊、靳德武等［1－2］認(rèn)為活動(dòng)層沿厚層地下冰面或凍融交界面滑動(dòng)是多年凍土區(qū)斜坡失穩(wěn)的一個(gè)特征。姜龍、王連俊［3］認(rèn)為凍融交界面是制約斜坡路堤穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

然而，作者在進(jìn)行青藏鐵路多年凍土區(qū)斜坡路堤的穩(wěn)定性分析研究中發(fā)現(xiàn)，人為上限面以下一定范圍內(nèi)的塑性凍土在上覆荷載作用下發(fā)生的蠕變變形逐漸累積，對(duì)于斜坡路堤的穩(wěn)定性具有較大的影響作用，并對(duì)加固補(bǔ)強(qiáng)措施的合理性和經(jīng)濟(jì)效益起著至關(guān)重要的作用。故此，本文基于多年凍土區(qū)斜坡路堤的力學(xué)變形本質(zhì)特點(diǎn)，并結(jié)合已有研究成果，就其下變形邊界位置及其對(duì)于斜坡路堤穩(wěn)定性的影響等問題進(jìn)行探討。最后，通過對(duì)現(xiàn)場實(shí)際典型斷面的水平位移變形監(jiān)測曲線進(jìn)行分析，確定斜坡路堤的下變形邊界的位置。

1 已有研究成果分析

1.1 凍融交界面

為研究多年凍土區(qū)斜坡穩(wěn)定性檢算問題中涉及到的凍融交界面抗剪強(qiáng)度問題，在室內(nèi)進(jìn)行了重塑砂黏土和黏砂土的凍融交界面、未凍土、凍后全融土的抗剪強(qiáng)度小型快剪試驗(yàn)，并在野外現(xiàn)場做了凍融交界面和凍后全融土的大型快剪試驗(yàn)。結(jié)果表明，凍融交界面的強(qiáng)度大于未凍土，而未凍土的抗剪強(qiáng)度又大于凍后全融土，且三者抗剪強(qiáng)度均隨含水量的增加而降低。結(jié)論是:斜坡內(nèi)巖土抗剪強(qiáng)度的軟弱面將首先發(fā)生在凍融交界面以上的全融土內(nèi)。

凍融交界面與凍后全融土的界面相差很小，甚至接近重合，不易區(qū)分。由于冰的膠結(jié)作用，在巖土保持凍結(jié)狀態(tài)時(shí)凍融交界面仍是足夠堅(jiān)硬和穩(wěn)定的天然形成物，其強(qiáng)度與凍后全融土的強(qiáng)度相差很大。所以，為簡化計(jì)算模型，目前在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于斜坡工程的穩(wěn)定性分析大多采用凍融交界面作為抗剪強(qiáng)度的軟弱面或破裂面。

1.2 塑性凍土下界限

H.A.崔托維奇［4］根據(jù)凍土的力學(xué)特性將多年凍土分為堅(jiān)硬凍土和塑性凍土。堅(jiān)硬凍土為孔隙冰所牢固膠結(jié)，其所含水分的大部分已凍結(jié)。塑性凍土中含有較多水分(常超過全部空隙水的一半)，具有黏滯性，凍結(jié)時(shí)有較大的可壓縮性。有關(guān)文獻(xiàn)給出了一般情況下巖土凍結(jié)時(shí)的堅(jiān)硬凍土近似溫度界限如表1。所有負(fù)溫值高于堅(jiān)硬凍結(jié)狀態(tài)特征值的高溫凍結(jié)黏土和亞黏土均屬塑性凍土。

表1 堅(jiān)硬凍土近似溫度界限

由于冰的存在，在很低的應(yīng)力水平下，多年凍土斜坡體即可表現(xiàn)出蠕變行為，這一結(jié)論已得到了試驗(yàn)證明。塑性凍土在上部載荷長期作用下，具有變形不穩(wěn)定性，即使其為凍結(jié)狀態(tài)，都可能使工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形。而堅(jiān)硬凍土的特點(diǎn)是發(fā)生脆性破壞，但當(dāng)荷載<(0.5～1.0)MPa(一般在斜坡路堤內(nèi)地基土中的應(yīng)力均小于此值)時(shí)，實(shí)際上是不可壓縮的(此時(shí)的相對(duì)壓縮系數(shù) α0<0.001 MPa－1)。

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故此，在斜坡路堤內(nèi)發(fā)生變形的實(shí)際下邊界應(yīng)該為塑性凍土的近似下溫度界限。斜坡路堤內(nèi)部塑性凍土的蠕變變形加速了上部巖土體的變形與發(fā)展，見圖1。

圖1 凍土層分布及其變形理想示意

2 斜坡路堤變形本質(zhì)

2.1 變形本質(zhì)

路堤工程修建后，改變了原斜坡體自然地表的熱交換條件，即破壞了原有的熱力學(xué)平衡。在外界氣候周期性變化影響下，路堤結(jié)構(gòu)與自然斜坡巖土體之間發(fā)生著復(fù)雜的水分遷移和熱物理力學(xué)作用過程，并且逐漸與周圍凍土工程地質(zhì)條件及水熱環(huán)境形成新的熱力學(xué)平衡。

斜坡路堤的變形是構(gòu)成斜坡路堤的巖土體材料的力學(xué)屬性外在表現(xiàn)，而多年凍土的力學(xué)屬性受地基溫度和含水量控制。多年凍土的強(qiáng)度和變形與未凍結(jié)土的區(qū)別在于:當(dāng)在凍土中施加外荷載時(shí)經(jīng)常發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)再造作用，導(dǎo)致在很小荷載下出現(xiàn)應(yīng)力松弛和蠕變變形，即凍土的強(qiáng)度和變形隨時(shí)間而變化。所以，多年凍土區(qū)斜坡路堤結(jié)構(gòu)的變形本質(zhì)為不同含水量巖土材料在不同溫度條件下的物理力學(xué)屬性的反應(yīng)，且其物理力學(xué)屬性隨時(shí)間而動(dòng)態(tài)變化。

2.2 變形特點(diǎn)

多年凍土融化時(shí)，其內(nèi)部含冰將轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，相?yīng)的冰膠結(jié)作用消失，強(qiáng)度急劇降低，并產(chǎn)生塑性變形甚至流動(dòng)，所以，當(dāng)條件具備時(shí)，多年凍土?xí)诤苄〉钠露壬习l(fā)生塑性流動(dòng)現(xiàn)象。人為上限附近土體通常具有較大的含水量條件，其變形破壞將大于其下一定范圍內(nèi)的塑性凍土的變形。而其上活動(dòng)層內(nèi)的巖土根據(jù)其土性和含水量條件的不同，將或者隨其一起產(chǎn)生向斜坡下側(cè)的滑移變形，或者發(fā)生更大的塑性流動(dòng)變形。所以，對(duì)于多年凍土區(qū)斜坡上巖土體，其變形特點(diǎn)將會(huì)呈現(xiàn)如圖1所示情況，即在豎向剖面上由下向上變形逐漸增大。

因?yàn)閮龊笕谕恋目辜魪?qiáng)度小于凍融界面抗剪強(qiáng)度，在自重及外荷載作用下，斜坡上巖土體一般多在活動(dòng)層內(nèi)靠底部某一位置發(fā)生破壞滑移現(xiàn)象。而上限下某一范圍內(nèi)的塑性凍土仍處于向坡下發(fā)生蠕變變形發(fā)展擴(kuò)大的狀態(tài)，其對(duì)于斜坡路堤的穩(wěn)定性具有非常大的影響，其累計(jì)變形不斷增大對(duì)于斜坡路堤工程結(jié)構(gòu)構(gòu)成了斜坡路堤的重要控制因素，所以，在其穩(wěn)定性分析中，必須考慮進(jìn)去。

2.3 主要影響因素

斜坡路堤的變形本質(zhì)是多年凍土材料物理力學(xué)屬性的外在表現(xiàn)。其物理力學(xué)屬性受多種因素影響作用，如構(gòu)成土體的材料成分、粒徑構(gòu)成、總含水(冰)量、地基溫度、凍結(jié)時(shí)間、應(yīng)力條件等。影響斜坡路堤變形及穩(wěn)定的主要因素如下所述。

1)地基溫度。斜坡路堤修建后，根據(jù)能量傳遞原理，其間發(fā)生熱物理力學(xué)作用最終將逐漸達(dá)到新的熱平衡。斜坡路堤內(nèi)某點(diǎn)處的地基溫度將與之前的地基溫度有所差異。另外，外界氣候環(huán)境的變化同樣影響著斜坡路堤的熱量交換，最終導(dǎo)致路堤內(nèi)巖土材料的地基溫度發(fā)生變化。

2)含水量條件。斜坡路堤結(jié)構(gòu)的修筑，改變了原天然地表的水流和入滲條件。同時(shí)，斜坡路堤內(nèi)形成新的地溫場條件又改變了原自然斜坡內(nèi)的地下水徑流路徑。兩者共同作用，導(dǎo)致了斜坡路堤內(nèi)巖土的含水量條件發(fā)生變化。

3)熱物理屬性。斜坡路堤的填筑，原自然斜坡內(nèi)的應(yīng)力場條件發(fā)生變化，應(yīng)力增大使原有地基土層壓密，增大了土層的熱傳導(dǎo)性能，熱傳導(dǎo)的深度增大，導(dǎo)致塑性凍土的范圍可能增大，影響其蠕變變形性。另外，含水量的變化也會(huì)影響到地層內(nèi)巖土的熱物理屬性，但由于水的比熱較大，減小了外部熱量傳入地基的能力。

3 下變形邊界確定

3.1 下變形邊界確定原則

因?yàn)樗苄詢鐾僚c堅(jiān)硬凍土物理力學(xué)屬性具有明顯的差異，在很小的應(yīng)力下，塑性凍土也會(huì)發(fā)生蠕變變形，所以，對(duì)于斜坡路堤的穩(wěn)定性具有重要的不利影響。斜坡路堤下變形邊界的確定原則應(yīng)包括所有塑性凍土的最下邊界，即塑性凍土與堅(jiān)硬凍土的近似下溫度界限。

要說明的是，不同多年凍土材料存在構(gòu)成和含水量條件等差異，其發(fā)生塑性蠕變變形的溫度情況各不相同，即堅(jiān)硬凍土的近似溫度界限是不同的。故此，斜坡路堤下變形邊界需要根據(jù)土質(zhì)特性、含水量以及凍結(jié)溫度、凍結(jié)時(shí)間等，并結(jié)合現(xiàn)場探孔的水平位移變形監(jiān)測資料，綜合分析加以確定。

3.2 下變形邊界的意義

首先，在對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)，需要考慮由于軟弱面以下塑性凍土的蠕變變形而導(dǎo)致的不穩(wěn)定因素影響，如果僅考慮發(fā)生變形破壞的滑移面，而未考慮實(shí)際存在的下變形邊界，則得到高于實(shí)際穩(wěn)定性的分析評(píng)價(jià)結(jié)果，使其危險(xiǎn)性增加，形成隱患。

其次，下變形邊界的正確確定對(duì)于維修養(yǎng)護(hù)工作中采取的支擋工程結(jié)構(gòu)埋深以及錨固深度的正確確定起著關(guān)鍵作用，且對(duì)于維修加固補(bǔ)強(qiáng)措施的作用，以及其經(jīng)濟(jì)合理性有重要意義。如果沒有考慮到其下變形邊界的存在，很可能導(dǎo)致工程失敗，造成不可彌補(bǔ)的損失。

另外，對(duì)于多年凍土區(qū)斜坡路堤測斜孔的埋設(shè)深度有了新的理解，即測斜管的埋設(shè)深度不僅需要在人為上限面以下2～3 m，還需要根據(jù)現(xiàn)場地層性質(zhì)、地基溫度和含水量情況，并考慮塑性凍土蠕變變形特點(diǎn)，將測斜孔的埋深設(shè)置在下變形邊界以下2～3 m的位置。

4 現(xiàn)場實(shí)例

4.1 工程概況

青藏鐵路K1139+000－K1139+200區(qū)段內(nèi)線路位于青藏高原風(fēng)火山山區(qū)，以半挖半填形式通過，線路走向正南，右高左低。其自然斜坡傾向正西，傾角12°。右側(cè)設(shè)有寬約5 m的粗顆粒換填土路肩，外側(cè)設(shè)有擋水埝、排水溝等附屬結(jié)構(gòu)，附屬結(jié)構(gòu)以外以自然坡度順延至較遠(yuǎn)處坡頂，坡面上偶見未風(fēng)化極堅(jiān)硬的細(xì)砂巖出露。左側(cè)路肩寬約3.0～3.5 m，路堤邊坡采用骨架護(hù)坡，坡腳設(shè)有土護(hù)道，外側(cè)約80 m為一條季節(jié)性河流沖刷形成的凹岸地段。天然地表植被覆蓋率為60% ～70%。區(qū)段內(nèi)巖層層理明顯，節(jié)理裂隙發(fā)育，地層分布狀況見圖2所示。

圖2 K1139+070區(qū)段工程地質(zhì)斷面

區(qū)段內(nèi)富冰、飽冰凍土均有分布，局部地段分布有厚層地下冰，厚度20～300 cm不等，主要集中分布在中風(fēng)化泥灰?guī)r地層，以裂隙冰為主。區(qū)域地下水發(fā)育，年平均降雨量為250～350 mm，最大降雨量集中發(fā)生在7月和8月。路堤填料為粗顆粒土，松散，具有地表雨雪水的入滲條件。路基右側(cè)為較大范圍的自然向上斜坡，具有較大的匯水面積。

4.2 路肩孔的水平位移監(jiān)測曲線

為便于說明斜坡路堤左右側(cè)路肩測斜孔監(jiān)測的水平位移隨深度和溫度的變化關(guān)系，將左右側(cè)路肩處對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場地溫觀測曲線一并列出。其中，圖3～圖6分別為左側(cè)路肩和右側(cè)路肩處的地溫觀測曲線和水平位移觀測曲線。圖中位移指向表示路堤左側(cè)(即斜坡下側(cè))為正，否則為負(fù)。

從左右側(cè)路肩孔的地溫觀測曲線和水平位移觀測曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以看出，斜坡路堤結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)水平位移的開始位置并不在最大凍融界面(人為上限)的位置，而是出現(xiàn)在最大凍融界面以下的某一位置，且水平位移曲線隨深度的變形大小根據(jù)外界凍結(jié)和融化作用而表現(xiàn)不同，但總體趨勢是使斜坡路堤上土體產(chǎn)生向下滑移的趨勢，降低了斜坡路堤巖土體的穩(wěn)定性。

圖3 左側(cè)路肩孔的地溫監(jiān)測曲線

從水平位移監(jiān)測曲線中可以看出，最大變形出現(xiàn)在最大凍融交界面以上的活動(dòng)層內(nèi)。左側(cè)路肩孔的最大水平位移大于右側(cè)路肩孔，且左側(cè)路肩孔出現(xiàn)最大位移的位置低于右側(cè)路肩孔出現(xiàn)的位置，說明了多年凍土區(qū)斜坡路堤具有沿著一定的軟弱面向坡下滑移的趨勢，具有牽引性質(zhì)。

圖4 左側(cè)路肩孔的水平位移監(jiān)測曲線

圖5 右側(cè)路肩孔的地溫監(jiān)測曲線

圖6 右側(cè)路肩孔的水平位移監(jiān)測曲線

另外，在水平位移監(jiān)測曲線中還可以看到，在凍結(jié)過程中，向斜坡上側(cè)發(fā)生水平位移(如圖4)。分析原因是在凍結(jié)過程中，當(dāng)測斜管外側(cè)的凍結(jié)力大于土層壓力時(shí)，測斜管上的水平位移產(chǎn)生向斜坡路堤內(nèi)側(cè)位移的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在右側(cè)路肩測斜孔中就表現(xiàn)得不很明顯。

4.3 下變形邊界

很明顯，多年凍土斜坡路堤斷面上的下變形邊界均在最大凍融深度以下的某一位置，而不是最大凍融深度位置。如左側(cè)路肩孔約為9.0m，而右側(cè)路肩孔約6.0m，其相應(yīng)位置的最大凍融界面位置分別為4.5m和4.4m。左側(cè)路肩處塑性凍土下邊界較深，這是由于左側(cè)路肩孔為兩面受熱狀況導(dǎo)致最大融化深度較低而形成的。

另外，根據(jù)現(xiàn)場斷面的地層資料分析，其塑性凍土的下變形邊界均位于砂黏土層中，相應(yīng)的含水量分別為15.7%和8.8%，其對(duì)應(yīng)的地基溫度觀測值分別為－0.33℃和－0.25℃。這說明，即使對(duì)于同種類型的巖土材料，其塑性凍土的下邊界也隨含水量的不同而具有差別。

5 結(jié)論

1)雖然凍后全融土的抗剪強(qiáng)度小于凍結(jié)界面及以下凍結(jié)土的強(qiáng)度，斜坡路堤結(jié)構(gòu)的破壞首先出現(xiàn)在凍融交界面以上附近位置，但由于塑性凍土的特殊物理力學(xué)屬性，在斜坡路堤結(jié)構(gòu)內(nèi)，其發(fā)生變形的實(shí)際下邊界應(yīng)為塑性凍土的下邊界。

2)下變形邊界準(zhǔn)確地顯示了凍土區(qū)工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性狀態(tài)，更加符合現(xiàn)場實(shí)際情況。下變形邊界對(duì)于巖土工程的穩(wěn)定性分析具有非常重要的意義，一般情況下，下變形邊界增大了通常分析的可變形范圍，減小了路堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3)下變形邊界受巖土材料物理性質(zhì)和含水量條件控制，在其不同狀態(tài)下是不同的，在借鑒近似溫度界限值的基礎(chǔ)上，需要通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究來具體分析和測定。

4)下變形邊界根據(jù)凍土變形破壞的本質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行凍土工程結(jié)構(gòu)的變形邊界劃分，它不同于高溫極不穩(wěn)定凍土(統(tǒng)一將－0.5℃ ～0℃溫度范圍的土定義為高溫凍土)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，更具有實(shí)際意義。

［1］牛富俊，張魯新.青藏高原多年凍土區(qū)斜坡類型及典型斜坡穩(wěn)定性研究［J］.冰川凍土，2002，24(5):608 －612.

［2］靳德武，孫劍鋒.青藏高原多年凍土區(qū)兩類低角度滑坡災(zāi)害形成機(jī)理探討［J］.巖土力學(xué)，2005，26(5):774－778.

［3］姜龍，王連俊.青藏鐵路多年凍土區(qū)沼澤化斜坡路基穩(wěn)定性研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(1):138-142.

［4］H.A.催托維奇著，張長慶，朱元林譯.凍土力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，1985.