青藏鐵路路基凍脹變形特點(diǎn)的研究

高志華，石 堅(jiān)，羅麗娟

(長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710061)

凍土區(qū)的路基病害嚴(yán)重威脅寒區(qū)鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，其主要病害形式是凍土區(qū)路基的凍脹與融沉。對(duì)于凍土的凍脹問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾做過(guò)大量的研究工作，對(duì)凍脹受溫度、土質(zhì)成分、土體含水率、土中易溶鹽含量、交換陽(yáng)離子成分、凍結(jié)速率的影響、以及凍脹與外部荷載應(yīng)力的關(guān)系作了深入的探討，提出了許多計(jì)算凍脹的方法和公式以及凍土地區(qū)工程結(jié)構(gòu)物的破壞特征，并相應(yīng)地提出一些凍害防治措施［1-4］。但是這些研究多是集中在試驗(yàn)理論及寒區(qū)公路工程上，對(duì)已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的青藏鐵路路基凍脹現(xiàn)狀的類似研究還未見(jiàn)報(bào)道，鑒于此，在青藏鐵路多年凍土區(qū)和深季節(jié)凍土區(qū)中隨機(jī)選擇了230處路基斷面，取土樣621組，分析了土樣組分及比例，得出了青藏鐵路不同的凍土區(qū)段路基凍脹變形分布特點(diǎn)。

1 土樣的類別及數(shù)量

1.1 土樣

鑒于多年凍土區(qū)和季節(jié)凍土區(qū)凍脹特征的不同，分別在青藏鐵路高原多年凍土區(qū)的西大灘(多年凍土北界 K951+578)～安多(多年凍土南界K1 497+845)段和深季節(jié)凍土區(qū)的安多(K1 505+000)～那曲(K1 702+300)段隨機(jī)選擇了230處路基斷面，進(jìn)行了621組土樣的取樣以及相應(yīng)的含水率、密度、顆粒分析、液限和塑限等試驗(yàn)，所取土樣的類別及數(shù)量見(jiàn)表1，現(xiàn)場(chǎng)取樣位置如圖1，由于路基是分層填筑碾壓而成的，保證所取土樣能代表路基及地基鄰近土層的實(shí)際情況。

表1 取土樣的類別及數(shù)量 組

圖1 路堤取樣點(diǎn)示意(單位:cm)

1.2 土樣的類型

根據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》(TB10077—2001、J123—2001)的規(guī)定，取自于路基近頂部、路基中部和路基坡腳以下地基土樣，各類土樣的類型及所占的比例分別見(jiàn)表2、表3和表4。

綜合表2和表3可以看出，無(wú)論多年凍土區(qū)、多年凍土區(qū)中的融區(qū)還是深季節(jié)凍土區(qū)的路基，其填料絕大多數(shù)采用了符合路堤填土要求的卵(碎)石土、圓(角)礫土和礫砂。填土中對(duì)凍脹較敏感的粉砂(共2組土樣)，僅在路基近頂部和路基中部(兩個(gè)部位共計(jì)有391組土樣)的土樣中占了約0.5%。

表2 路基近頂部土樣中土的類型及比例

表3 路基中部土樣中土的類型及比例

表4 地基土樣中土的類型及比例

從表4中可以看出，多年凍土區(qū)、多年凍土區(qū)中融區(qū)和深季節(jié)凍土區(qū)地基土的種類分別為6種、6種和5種，仍以圓(角)礫土和礫砂為主。但其中對(duì)凍脹較敏感的粉砂及粉土分別為48組土樣(占總土樣數(shù)170組的28.23%)、7組土樣(占總土樣數(shù)36組的19.45%)和9組土樣(占總土樣數(shù)36組的37.49%)，與路基的填料存在較大差異，說(shuō)明一些路基地基土工程性質(zhì)較差，對(duì)凍脹較敏感。

2 青藏鐵路路基的凍脹變形特征

2.1 多年凍土區(qū)路基的凍脹變形

2.1.1 凍脹變形模式

在多年凍土區(qū)，寒季初，隨著路基周圍氣溫的逐漸降低，路基土體開(kāi)始凍結(jié)。這種凍結(jié)的發(fā)生是雙向的，一方面由路基表層開(kāi)始，凍結(jié)向下逐漸延伸;另一方面，凍結(jié)也會(huì)從多年凍土這個(gè)巨大的冷源的上表面向上延伸，最終凍結(jié)過(guò)程結(jié)束時(shí)的狀態(tài)分析如圖2。

圖2 多年凍土區(qū)路基寒季凍結(jié)過(guò)程中的狀態(tài)分析

由圖2可以看出，多年凍土區(qū)路基在寒季凍結(jié)過(guò)程中，表層土體最先開(kāi)始凍脹，并且是凍融交替，凍結(jié)狀態(tài)逐漸向下延伸。對(duì)于較低的多年凍土路堤，當(dāng)凍結(jié)過(guò)程向下延伸，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，整個(gè)季節(jié)活動(dòng)層全部?jī)鼋Y(jié)，在已凍結(jié)的深度內(nèi)，存在一個(gè)強(qiáng)凍脹厚度(本文稱之為強(qiáng)凍脹帶)。一般情況下，這個(gè)強(qiáng)凍脹帶約為全部?jī)錾?季節(jié)活動(dòng)層)的 1/3～1/2，可包括70% ～90%的凍脹量，這是由于在凍結(jié)的過(guò)程中，路堤上部逐漸向下凍結(jié)，下部的未凍結(jié)部分由于其中的水分向凍結(jié)鋒面遷移，而造成下部未凍土中水分減少，凍脹減弱;對(duì)于路基高度相對(duì)較高的多年凍土區(qū)路基，當(dāng)凍結(jié)過(guò)程向下延伸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，季節(jié)活動(dòng)層與多年凍土之間可能存在著融化夾層，同時(shí)它們對(duì)融化夾層形成包裹的狀態(tài)，外來(lái)水分無(wú)法進(jìn)入。由于融化夾層中土的相對(duì)高溫狀態(tài)隨著時(shí)間的延續(xù)而逐漸解除，融化夾層最終消失，季節(jié)活動(dòng)層會(huì)有所調(diào)整，強(qiáng)凍脹帶的凍深也會(huì)有所變化。根據(jù)凍脹量隨深度變化的規(guī)律，強(qiáng)凍脹帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)的凍脹量增加值不會(huì)太大。所以，對(duì)于多年凍土區(qū)的路基來(lái)講，只有屬于強(qiáng)凍脹帶內(nèi)的部分路基基床土體凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生的凍脹變形才會(huì)對(duì)路基的凍脹變形產(chǎn)生影響，應(yīng)重點(diǎn)研究強(qiáng)凍脹帶內(nèi)土體凍結(jié)時(shí)引起的路基凍脹變形。

2.1.2 凍脹變形分析

多年凍土區(qū)路基的凍脹變形來(lái)源于路基表層的土體。青藏鐵路多年凍土區(qū)路基近頂部總共170組土樣分別為卵(碎)石土(4組土樣，占2.35%)、圓(角)礫土(142組土樣，占 83.53%)和礫砂(24組土樣，占14.12%)，均為粗顆粒土，故無(wú)論在開(kāi)放系統(tǒng)中還是封閉的系統(tǒng)中，凍脹量都是可以忽略不計(jì)的。不過(guò)在完全敞開(kāi)的系統(tǒng)之中，大氣降水對(duì)其有著至關(guān)重要的影響，即使是粗顆粒土(飽和狀態(tài)下)，其凍脹量也是比較可觀的，所以要注意路基表面的排水。

2.2 深季節(jié)凍土區(qū)(多年凍土區(qū)中的融區(qū))路基的凍脹變形

2.2.1 凍脹變形模式

多年凍土區(qū)中的融區(qū)路基與深季節(jié)凍土區(qū)路基的情況大致相同。與多年凍土區(qū)路基不同的是，深季節(jié)凍土區(qū)地基土中不存在多年凍土，其凍結(jié)過(guò)程與多年凍土區(qū)路基的凍結(jié)過(guò)程不同。在寒季初，隨著路基周圍氣溫的逐漸降低，路基土體從表層起開(kāi)始凍結(jié)，與多年凍土區(qū)路基土體的雙向凍結(jié)不同，這種凍結(jié)是單向的，即由路基表層開(kāi)始，向下逐漸延伸，最終達(dá)到最大凍結(jié)深度。圖3為深季節(jié)凍土區(qū)(多年凍土區(qū)中的融區(qū))路基寒季凍結(jié)過(guò)程中的狀態(tài)分析。

圖3 深季節(jié)凍土區(qū)路基寒季凍結(jié)過(guò)程中的狀態(tài)分析

從圖3中可以看到，深季節(jié)凍土區(qū)路基在寒季凍結(jié)過(guò)程中，其凍結(jié)過(guò)程是由上而下單向完成的。自上而下的凍結(jié)完成后，此時(shí)的路基僅在其表層形成了凍結(jié)硬殼，凍結(jié)硬殼隔斷了地表水進(jìn)入路基土體內(nèi)的可能，但由于沒(méi)有下覆多年凍土的存在，路基中尚未凍結(jié)的路基土體在其下部仍與沒(méi)有凍結(jié)的地基土體相連接、相貫通，所以無(wú)論是細(xì)顆粒土還是含有一定粉黏粒的粗顆粒土，只要地下水位埋藏較淺，地下水沿基底土體的毛細(xì)水通道可達(dá)未凍路基土體中，那么在路基土體凍結(jié)時(shí)可以源源不斷地得到地下水的補(bǔ)充，會(huì)產(chǎn)生較大的凍脹變形，嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生凍脹丘、冰椎之類的不良凍害;但如果地下水位埋藏較深，土體在凍結(jié)時(shí)得不到地下水的補(bǔ)充，此時(shí)的凍脹變形就無(wú)法發(fā)展。對(duì)深季節(jié)凍土區(qū)的路基，凍脹變形既與路基表層的強(qiáng)凍脹帶有關(guān)，還與基底土體類型和地下水位埋深有關(guān)。

2.2.2 凍脹變形分析

對(duì)于深季節(jié)凍土區(qū)路基的凍脹變形，季節(jié)凍土區(qū)路基的凍脹變形由兩部分組成:一部分為強(qiáng)凍脹帶內(nèi)土體凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生的凍脹變形;另一部分為路基基底土體凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生的凍脹變形。若兩種凍脹變形均存在，則一般情況下，以路基基底土體凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生的凍脹變形為主。對(duì)于強(qiáng)凍脹帶內(nèi)土體，由表2路基近頂部土樣中土的組分及比例，可以清楚地看到，總共60組土樣中分別有卵(碎)石土(4組土樣，占 6.67%)、圓(角)礫土(47組土樣，占78.33%)、礫砂(9組土樣，占15.00%)共3種類型，同樣均為粗顆粒土，與多年凍土區(qū)路基的凍脹變形特性相同;對(duì)于路基基底土體在凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生的凍脹變形則與土體的類型以及地下水位埋深相關(guān)。為了解深季節(jié)凍土區(qū)各類地基土毛細(xì)水上升高度，進(jìn)而確定地基土層在凍結(jié)過(guò)程中所處的系統(tǒng)狀態(tài)，選取了常見(jiàn)的五類地基土樣進(jìn)行了毛細(xì)水上升高度試驗(yàn)。對(duì)于同一類土，粉黏粒含量對(duì)毛細(xì)水上升高度影響比較明顯，圖4為根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的不同土類粉黏粒含量和毛細(xì)水上升高度的關(guān)系曲線。

圖4 不同土類粉黏粒含量和毛細(xì)水上升高度的關(guān)系曲線

從圖4看出，粉黏粒含量對(duì)不同土類毛細(xì)水上升高度的影響是不同的。①粉土中粉黏粒含量對(duì)毛細(xì)水上升高度的影響最小，細(xì)砂和粉砂中粉黏粒含量對(duì)毛細(xì)水上升高度的影響最大。②細(xì)砂、粉砂和圓(角)礫土中，隨粉黏粒含量的增加，毛細(xì)水上升高度并不是一直都增加，而是存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的粉黏粒含量因土質(zhì)的不同而不同，拐點(diǎn)前后的變化速率也因土質(zhì)的不同而不同。③礫砂中隨粉黏粒含量的增加，毛細(xì)水上升高度逐漸減小。④粉土中隨粉黏粒含量的增加，毛細(xì)水上升高度先逐漸減小后逐漸增大。

根據(jù)圖4的試驗(yàn)結(jié)果，得出青藏鐵路深季節(jié)凍土區(qū)(多年凍土區(qū)中融區(qū))從里程K948+862～K1 702+300共60組基底土樣的毛細(xì)水上升高度，圖5為土樣的毛細(xì)水上升高度和地下水位埋藏深度的比較圖。

圖5 路基基底土樣的毛細(xì)水上升高度和地下水位埋藏深度的比較(單位:m)

從圖5中可以看出，對(duì)于地下水位埋深小于相應(yīng)基底土的毛細(xì)水上升高度的情況，可以分為兩段:第一段出現(xiàn)在多年凍土區(qū)中的融區(qū)中，里程為K1 234+661～K1 316+533;第二段同樣出現(xiàn)在多年凍土區(qū)中的融區(qū)中，里程為K1 384+975～K1 426+396。也就是說(shuō)，根據(jù)目前掌握的資料，可以預(yù)計(jì)到青藏鐵路凍土區(qū)中路基的凍脹問(wèn)題將出現(xiàn)在上述兩個(gè)段落中，為方便起見(jiàn)，把上述兩個(gè)段落稱之為路基凍脹區(qū)域。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)隨機(jī)選取的230個(gè)斷面621組土樣的分析，可以認(rèn)為無(wú)論是多年凍土區(qū)還是深季節(jié)凍土區(qū)，路基土體特別是氣候劇烈影響帶內(nèi)的填土完全是由粗顆粒填料組成，正常情況下凍脹量很小。但考慮到路基的凍脹是一個(gè)隨機(jī)變量和由于強(qiáng)凍脹帶填料近似處于一個(gè)敞開(kāi)的系統(tǒng)中，大氣降水對(duì)其凍脹有著至關(guān)重要的影響，如果在暖季末—寒季初大氣降水足夠多并且適時(shí)的情況下，即使是粗顆粒土(飽和狀態(tài)下)，仍然會(huì)產(chǎn)生較可觀的凍脹量。

在里程K1 234+661～K1 316+533和K1 384+975～K1 426+396的多年凍土區(qū)中的融區(qū)中，敞開(kāi)系統(tǒng)的條件下，由于基底土體的性質(zhì)與地下水位埋藏較淺的緣故，推斷出會(huì)出現(xiàn)路基的凍脹問(wèn)題。今后在路基維護(hù)時(shí)應(yīng)予以重視。提出了多年凍土區(qū)和深季節(jié)凍土區(qū)(多年凍土區(qū)中融區(qū))路基土體的不同凍脹變形模式。

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