青藏鐵路多年凍土區(qū)碎石護(hù)坡路基長期穩(wěn)定性研究

劉爭平

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

青藏鐵路格爾木至拉薩段全長1142km,穿越連續(xù)多年凍土地區(qū)長度約 550km,多年凍土是青藏鐵路建設(shè)面臨的主要工程地質(zhì)問題。碎石護(hù)坡路基是多年凍土路基主要的工程處理措施之一,鐵路在運(yùn)營期間其工程效果如何,其長期穩(wěn)定性如何,所以需要在運(yùn)營期間對路基進(jìn)行地溫及沉降監(jiān)測和研究。

碎石護(hù)坡路基就是在多年凍土區(qū)路基填土的兩側(cè)邊坡,鋪設(shè)一定厚度的碎石,以通過碎石層的導(dǎo)熱特性達(dá)到保護(hù)下伏多年凍土、確保路基熱穩(wěn)定性的目的。

鋪設(shè)碎石層時,可以根據(jù)路基陰陽坡側(cè)的不同情況設(shè)置不同厚度的碎石層,碎石護(hù)坡路基一般使用在高溫高含冰量多年凍土地區(qū)。相關(guān)資料表明,碎石層在寒季的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)是暖季當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的 5～10倍甚至更多,具有熱二極管效應(yīng)[1～2]和遮陽作用[3]。兩種作用的綜合效果可以降低多年凍土地溫,有效提高路堤下地基的蓄冷量,對多年凍土地基進(jìn)行保護(hù)。在多年凍土區(qū)的路基施工中,碎石護(hù)坡路堤是保護(hù)凍土有效的方法之一。

青藏鐵路楚瑪爾河地區(qū)地處青藏高原腹地,位于多年凍土區(qū),具有典型的多年凍土工程地質(zhì)條件,本研究針對該地區(qū)的碎石護(hù)坡路基長期監(jiān)測斷面DK1054+000進(jìn)行了地溫和沉降研究,以評價碎石護(hù)坡路基的長期穩(wěn)定性。

2 監(jiān)測斷面基本情況

所監(jiān)測的碎石護(hù)坡路基里程為 DK1054+000(路基底寬 21.60m,頂寬 7.30m,高度 3.15m),左護(hù)坡碎石層厚度 1.60m(陽坡側(cè)),右護(hù)坡厚度 0.8m(陰坡側(cè)),路基兩側(cè)設(shè)置了土護(hù)道,其中左護(hù)道寬 3.0m,右護(hù)道寬 2.0m[4]。路基下地層為角礫土、黏土及礫砂,其下為全風(fēng)化泥巖,多年凍土類型為含土冰層、富冰及飽冰凍土,年平均地溫為 -1.4℃。本段路基陰陽坡向明顯,左側(cè)為陽坡側(cè),右側(cè)為陰坡側(cè)。2002年 5月,路基完成施工填筑。

地溫測試孔分別布置在左右路肩、右坡腳,左坡腳外 20m處布置地溫測試孔作為天然孔。沉降觀測點分別布置在左右路肩、左右坡腳。測試從 2003年 5月開始,2007年 12月結(jié)束,每月測試 2次,獲得了大量的地溫和沉降長期監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 地溫數(shù)據(jù)分析

3.1 原上限深度處地溫變化情況

左側(cè)天然孔測溫資料顯示:凍土上限為 1.3m左右。右坡腳人為上限深度為 2.2m左右。將各孔地溫隨時間變化曲線繪制于圖1中。

圖1 各孔原上限處地溫隨時間變化曲線

圖1顯示:

天然狀態(tài)下,上限處地溫在 -2.4～-0.3℃波動變化,但整體相對穩(wěn)定(即最高溫度變化不大,溫度變化過程呈現(xiàn)出周期性波動)。

左路肩下原上限處地溫呈平緩下降的趨勢,2003年～2007年的最高溫度由 0.08℃下降到 -0.53℃。

右路肩下原上限處地溫呈波動下降,最高溫度由-0.07℃下降到 -0.5℃,最低溫度由 -1.16℃下降到 -2.09℃。

路基右坡腳下 2.0m深度最高溫度由 2003年的0.1℃升高至 2007年的 0.3℃,表明人為上限在逐步緩慢降低。

左路肩(陽坡側(cè))處原天然上限處地溫變化幅度小于右路肩(陰坡側(cè)),并呈現(xiàn)溫度逐年略有下降的趨勢;左右側(cè)原天然上限處最高溫度值基本一致。長期地溫變化情況逐漸趨于平緩。

3.2 各孔地溫變化情況

圖2為DK1054+000斷面各孔地溫隨深度、時間的變化過程曲線。圖中深度 0m處對于右坡腳孔及天然孔為天然地面,對于左右路肩孔為路基面。由圖2可見:

(1)天然孔(DK1054—JTZ— 12— 1)最大融化深度在監(jiān)測期間無明顯變化;

(2)左路肩孔(DK1054—JTZ—12—2),2003年季節(jié)最大融化深度位于原地面下 1.5m,2004年抬升至接近原地面,之后季節(jié)最大融化深度進(jìn)一步抬升至路基填土范圍內(nèi),即略高于原地面,同時等溫線沒有發(fā)生下降,如 -0.5℃線基本保持水平,表明在左路肩處原凍土溫度沒有發(fā)生升高。

(3)右路肩孔(DK1054—JTZ—12—3)地溫在監(jiān)測期內(nèi)基本維持穩(wěn)定,地溫分布情況類似于左路肩孔,但整體溫度略低于左路肩孔;

(4)路基右坡腳孔(DK1054— JTZ—12— 4)顯示季節(jié)最大融化深度為 2m,地溫在監(jiān)測期間保持了穩(wěn)定的周期變化。

3.3 多年凍土上限變化情況

根據(jù)圖2取得凍土人為上限(表1)。

表1 各孔人為上限 m

各孔中上限變化如圖3所示(圖中 0m深度為原地面)。

天然條件下多年凍土上限 2003年～2005年保持了穩(wěn)定,深度為 1.16m左右,至 2007年下降至 1.28 m,下降了 0.12m。

左右路肩處人為上限深度呈抬升趨勢,其中左路肩 2003年人為上限深度為原地表以下 1.58m,至2007年抬升至地面上 0.41m;右路肩處 2003年人為上限深度為原地表以下1.20m,至 2007年抬升至原地面上 0.29m。從上限變化曲線(圖3)可以看出,陰陽坡側(cè)凍土人為上限變化趨于一致。

圖2 各孔地溫隨深度、時間變化情況(單位:℃)

圖3 各孔凍土上限變化情況

路基右坡腳處上限深度變化與天然孔類似,由2003年的 2.14m下降至 2.25m,下降了 0.11m。

因此,總體上該處碎石護(hù)坡路基下人為上限都有大幅抬升,且左右側(cè)基本一致,至 2007年左右路肩人為上限分別較原天然上限(1.3m)抬升了 1.71m和1.69m。這對于路基熱穩(wěn)定性是十分有利的。

3.4 路基地溫場

圖4為DK1054+000斷面監(jiān)測期間各年最大融深時路基地溫場的分布情況。

該圖顯示:地溫場最大特點為路基左右側(cè)對稱性較好,且多年凍土人為上限附近的地溫基本保持了穩(wěn)定(若以圖中 -0.5℃做為標(biāo)志,其深度基本維持了多年穩(wěn)定)。具體如下:

圖4 最大融深時地溫場分布(單位:℃)

在 2003年路基填筑 1.5年后,碎石護(hù)坡路基下已經(jīng)形成有凍土核,而且凍土核形狀呈現(xiàn)出較對稱的梯形形狀。2004年至 2007年,凍土人為上限又有進(jìn)一步抬升,-0.5℃線表現(xiàn)為向上隆起,說明地基下凍土層蓄冷量增加,同時,地溫場的對稱性一直保持比較好。

所以,碎石護(hù)坡對于冷卻地基、調(diào)節(jié)溫度場的對稱性起到了積極作用,長期情況下地溫穩(wěn)定性良好。

4 沉降數(shù)據(jù)分析

根據(jù)沉降觀測數(shù)據(jù),DK1054+000路基變形整體上表現(xiàn)為沉降變形,其中左路肩(陽坡側(cè))在監(jiān)測期間總沉降 70mm,右路肩(陰坡側(cè))總沉降 43mm。每年沉降情況見表2。

表2 觀測期間每年沉降量 mm

觀測期,主要沉降發(fā)生在自監(jiān)測開始后的前 3年內(nèi)(2003年至 2005年),即路基修筑后前 3年沉降量最大,左右側(cè)路肩沉降量分別為 55mm和 36mm,約占總沉降量的 76%和 84%,2005年之后逐漸減小,2006年左右路肩沉降量分別為 8mm和 2mm,2007年分別為 7mm和 5mm。

DK1054+000碎石護(hù)坡路基左右路肩沉降曲線見圖5。

圖5 DK1054+000左右路肩沉降曲線

碎石護(hù)坡路基左右路肩變形以沉降過程為主,變形過程中在寒季存在著輕微凍脹現(xiàn)象。

路基陰陽坡側(cè)沉降曲線在 2004年～2005年沉降較大,2005年之后曲線呈現(xiàn)有規(guī)律的起伏,表現(xiàn)出明顯的暖季沉降、寒季凍脹特征,發(fā)展趨勢呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài),說明路基沉降長期發(fā)展將逐漸趨于穩(wěn)定。

陰陽坡側(cè)沉降對比,各年陽坡側(cè)沉降略大于陰坡側(cè)沉降,陰陽坡側(cè)路肩總沉降變化速率約為 10mm/年和 16mm/年,均 小 于 《鐵 路 路 基 設(shè) 計 規(guī) 范 》(TB10001—2005)所要求的沉降速率 50mm/年的標(biāo)準(zhǔn)[5]。所以,可以看出在高溫高含冰量凍土的地質(zhì)條件下,采用碎石護(hù)坡路基設(shè)計,能夠滿足路基沉降要求。

5 主要研究結(jié)論

5.1 碎石護(hù)坡路基的地溫場逐漸趨于熱穩(wěn)定狀態(tài)

從多年凍土上限形態(tài)和分布來看,在路基填筑之后,碎石護(hù)坡路基人為上限有很大抬升,并且 0℃等值線呈現(xiàn)出近似梯形形狀,陽坡側(cè)較陰坡側(cè)略低,長期發(fā)展,兩側(cè)人為上限差異逐漸減小。碎石護(hù)坡路基能夠有效抬升多年凍土上限,對多年凍土具有很好的保護(hù)作用。

從地溫場中地溫等值線形態(tài)角度,路基斷面地溫場的負(fù)溫等溫線基本都呈上凸?fàn)?表明其下凍土主要呈降溫趨勢。而且監(jiān)測期最后幾年的變化不大,所以地溫場已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

從路基溫度場對稱性角度來看,碎石護(hù)坡路基地溫場的對稱性較好,但是陽坡側(cè)地溫略高于陰坡側(cè)。

總體而言,截止到2007年12月,路基下凍土得到了有效保護(hù),地溫場總體上呈現(xiàn)降低趨勢,竣工后 2年內(nèi)凍土上限有明顯抬升,從 2005年之后,上限變化基本穩(wěn)定,凍土路基地溫呈現(xiàn)出長期穩(wěn)定特性。

5.2 碎石護(hù)坡路基的沉降逐漸趨于穩(wěn)定

從沉降觀測數(shù)據(jù)分析來看,在高溫高含冰量多年凍土地區(qū),采用碎石護(hù)坡路基也能夠有效控制路基沉降變形,沉降表現(xiàn)為前期較大,后期逐漸減小,截止到2007年前的總沉降量達(dá) 43～70mm;而2007年的沉降量在 7mm以內(nèi)。

總體而言,碎石護(hù)坡路基沉降變化的長期效果明顯,而且在 2006年之后已經(jīng)表現(xiàn)為寒季略有凍脹、暖季略有融沉的凍土路基規(guī)律性變化狀態(tài),路基已經(jīng)呈現(xiàn)出長期穩(wěn)定特性。

5.3 工程建議

碎石護(hù)坡路基可以冷卻地基,保護(hù)路基下多年凍土,特別是碎石護(hù)坡施工可以不影響正常的列車運(yùn)行,所以對于凍土路基出現(xiàn)病害地段,碎石護(hù)坡是一種很好的補(bǔ)強(qiáng)措施。同時,建議再繼續(xù)開展地溫及沉降長期監(jiān)測工作。

[1]Harris S A,Pedersen D E.Thermal regimes beneath coarse blocky materials[J].Permafrost and periglacial processes,1998,20(9): 107-120.

[2]He Guisheng,Ding Jingkang,LiYongqiang.Heat transm ission prop- erties and application of the dump filling crushed stone layer[J]. Journal of glaciology and geocryology,2000,22(S):34-37.

[3]周幼吾,郭東信,邱國慶,等.中國凍土[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

[4]中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,青藏鐵路楚瑪爾河地區(qū)路基地溫及沉降研究報告[R].西安:2009.

[5]TB10001— 2005,鐵路路基設(shè)計規(guī)范[S].