高原寒區(qū)路基邊坡保溫板護坡應(yīng)用

王 平,李 成

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

在多年凍土區(qū)修筑路基工程后,原有的地氣熱交換條件發(fā)生了變化,其結(jié)果通常是路基的吸熱量增加。路基逐年的熱積累使下伏土體溫度升高、多年凍土融化,從而引起路基下沉變形[1～2]。青藏鐵路格爾木至拉薩段大部分路段通過多年凍土區(qū),由于其熱穩(wěn)定性差,極易造成路基邊坡下沉、變形、開裂等病害[3]。因此,凍土地區(qū)路基邊坡的穩(wěn)定性及其防護措施的研究具有重要的意義。為了增加路基工程的穩(wěn)定性,通常以保護多年凍土為原則,即采取各種措施盡量使得路基下伏多年凍土上限不下降。本試驗工程采用泡沫玻璃板鋪設(shè)路塹邊坡,利用其低的熱導(dǎo)性(熱阻)阻止上部熱量進入下部土層,從而起到保護多年凍土的作用。

2 保溫板護坡試驗工程概況

保溫板護坡試驗工程位于青藏鐵路北麓河試驗段。本地區(qū)屬青藏高原干旱氣候區(qū),年平均氣溫為 -3.8℃,凍結(jié)期為 9月至次年 5月,天然上限深度為2.0～2.2m,年平均地溫為 -0.67～ -0.83℃,屬高溫不穩(wěn)定區(qū)。該試驗工程位于山前緩坡,地表植被稀疏,表層為棕紅色粉砂,上部為棕紅色黏土,下部以棕紅色全風化泥巖為主,局部夾砂巖層。

該工程設(shè)置于路基右側(cè)(陽面)路塹坡面上,路塹邊坡進行了換填砂礫層保溫處理,換填厚度 3.4m,邊坡下部設(shè) L型擋墻支撐,坡面上鋪設(shè)泡沫玻璃保溫層,泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)只有一般融土的 1/20左右,泡沬玻璃板尺寸為 0.4m×0.4m×0.04m,如圖1所示。草皮護坡對比試驗段路塹邊坡同樣進行了換填砂礫層處理,換填厚度相同,護坡草皮是在換填層施工完成后從附近移植覆蓋到換填層上的。

圖1 泡沫玻璃板保溫護坡結(jié)構(gòu)示意

3 泡沫玻璃板材熱物理性能指標

泡沫玻璃隔熱材料的熱物理性能測試結(jié)果見表1。

表1 泡沫玻璃物理熱學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果

4 地溫分析

通過對地溫的觀測,可以掌握坡面下凍土的凍結(jié)狀態(tài)、人為上限及其溫度的變化情況,從而分析泡沫玻璃板護坡的防護效果。測試斷面溫度觀測布設(shè)示意如圖2所示。

圖2 測試斷面溫度觀測布設(shè)示意

4.1 保溫板坡面孔地溫分析

圖3是保溫板護坡 2001年～2004年坡面縱孔地溫。從圖3中可以看出,寒季路塹開挖擾動后地溫下降,2002年 5月邊坡回填完成后地溫回升的情況。由于路塹土方是在寒季開挖施工,所以 2001年 10月坡面下部地溫明顯低于 2002年 10月的觀測結(jié)果。2002年 5月坡面回填完成后氣候進入暖季,加之回填土帶來的熱量開始對原有凍土加溫,2002年人為上限比2001年下降近 1.0m。比較 2002年和 2003年同期坡面下部地溫,人為上限相差不大,顯示出了施工對淺層地溫的影響已基本消除,此時的淺層地溫主要受地表年平均溫度和地溫年較差的影響,而深層地溫升溫明顯,說明原來寒季開挖所儲存的“冷量”在施工完成后被支出。2004年邊坡下凍土仍存在升溫趨勢,但升溫速率明顯降低。

圖3 保溫板護坡 2001年～2004年坡面孔地溫

4.2 邊坡淺層地溫變化分析

圖4為保溫板護坡代表斷面坡面垂直向下 0.87、1.73、2.60m和 3.47m深度處的地溫變化過程。從圖4中可以看出,泡沫玻璃保溫板鋪設(shè)后,在凍結(jié)期(2002年 9月～2003年 5月),在 2.60、3.47m處地溫保持在較高的負溫狀態(tài),而淺部地溫自鋪設(shè)保溫板以來呈現(xiàn)較為規(guī)則的正弦波變化態(tài)勢。在融化初期(2003年 5月),0.87m以下土層基本仍處于凍結(jié)狀態(tài),溫度明顯低于鋪設(shè)泡沫玻璃保溫板時(2002年 5月)相同深度處的地溫,且融化深度明顯小,可見鋪設(shè)泡沫玻璃板可有效地阻止地氣之間的熱交換,保護邊坡下部的多年凍土。

圖4 保溫板護坡代表斷面邊坡淺層地溫變化

4.3 邊坡深層地溫變化分析

圖5為保溫板護坡代表斷面坡面垂直向下 6.00 m和 8.68m深度處的地溫變化過程。從圖中可以看出,泡沫玻璃護坡于 2002年 5月回填完成后,受高溫回填土和氣溫回升的影響,深部土層凍土溫度經(jīng)歷了一個迅速上升的階段,2002年暖季(2002年 5月～2002年 9月),坡面 6.00m深度處升溫約為 1.0℃左右,8.68m深度處升溫也達 0.3℃。同淺層地溫不同,2002年 9月～2003年 9月,受施工擾動以及高溫回填土層的影響,深層土溫度仍處在一個緩慢上升漸趨穩(wěn)定的狀態(tài),6.00m和 8.68m地溫平行發(fā)展,說明深層地溫在本時段內(nèi)基本趨于穩(wěn)定。2004年后,深層凍土地溫進入比較穩(wěn)定的狀態(tài),表明施工對護坡下地溫的影響已基本消除。護坡淺 0.87m左右;且其下深部凍土溫度更低,表明2002年 5月鋪設(shè)泡沫玻璃板后,有效地阻止了地氣之間的熱交換,保護了邊坡下部的多年凍土,從保護凍土角度而言,泡沫玻璃板護坡優(yōu)于草皮護坡。

圖5 保溫板護坡代表斷面邊坡深層地溫變化

圖6 2003年 9月 19日各斷面坡面孔地溫

圖7 2004年 9月 29日各斷面坡面孔地溫

5 泡沫玻璃板護坡與草皮護坡效果對比

表2是泡沫玻璃板護坡與草皮護坡下多年凍土人為上限的變化情況。從表2中可以看出,泡沫玻璃板護坡下多年凍土人為上限年均下降速率小于草皮護坡下人為上限年均下降速率,說明泡沫玻璃板護坡在保溫效果及延緩多年凍土退化方面優(yōu)于草皮護坡。

表2 護坡下多年凍土人為上限的變化 m

表3是泡沫玻璃板護坡與草皮護坡下 2.17m深度處積溫及年平均溫度。從表3中可以看出,泡沫玻璃板護坡下積溫明顯低于草皮護坡下積溫,且草皮護坡下積溫為正值;泡沫玻璃板護坡和草皮護坡下的年平均溫度都有上升,相比而言,草皮護坡的升溫速率更大。

表3 坡面下2.17m深度處積溫和年平均溫度

圖6和圖7分別是 2003年 9月 19日和 2004年 9月 29日泡沫玻璃板護坡(DK1137+830)和草皮護坡(DK1138+000)代表斷面坡面孔地溫。從圖6、圖7可以看出,泡沫玻璃板護坡融化深度基本保持不變,而草皮護坡融化深度相對 2003年下降了 0.4m左右;2004年 9月 29日泡沫玻璃板護坡的融化深度較草皮

表4是泡沫玻璃板護坡與草皮護坡坡面下表層溫度統(tǒng)計特征。從表4中可以看出,泡沫玻璃板下表層溫度年變幅遠小于草皮層下表層溫度年變幅,約為草皮護坡下年變幅的一半;泡沫玻璃板下表層年平均溫度也比草皮下表層年平均溫度低。

表4 護坡坡面下表層溫度統(tǒng)計特征 ℃

綜上所述,從泡沫玻璃板護坡與草皮護坡下表層平均溫度、積溫、護坡下溫度變化幅度及護坡下多年凍土人為上限的變化等方面均可以看出,泡沫玻璃板護坡在保溫效果及延緩多年凍土退化方面優(yōu)于草皮護坡。

6 結(jié) 論

本試驗工程采用泡沫玻璃板鋪設(shè)路塹邊坡,利用其低的熱導(dǎo)性(熱阻),有效地阻止了地氣之間的熱交換,從而起到保護多年凍土的作用。從泡沫玻璃板護坡與草皮護坡下表層平均溫度、積溫、護坡下溫度變化幅度及護坡下多年凍土人為上限的變化等方面分析,泡沫玻璃板護坡在保溫效果及延緩多年凍土退化方面均優(yōu)于草皮護坡。

[1]馬 巍,程國棟,吳青柏.青藏鐵路建設(shè)中動態(tài)設(shè)計思路及其應(yīng)用研究[J].巖土工程學(xué)報,2004,26(4):537-540.

[2]中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所.凍土路基工程[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版社,1988.

[3]中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司.青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程技術(shù)[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,2007.