青藏鐵路多年凍土斜坡路基失穩(wěn)變形特性

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都，610031)

青藏鐵路雖然已建成通車2 a多，但發(fā)現(xiàn)沿線凍土地區(qū)路基仍然存在一些問題，如凍脹融沉產(chǎn)生一些病害，尤其是凍土斜坡路基，病率更高。這些病害不僅在青藏鐵路有，其他國家凍土地區(qū)的鐵路線路也存在類似的問題，一些國家的凍土地區(qū)鐵路病害率甚至在30%以上。這些病害給線路的運營和維修帶來較大的困難。在凍土斜坡穩(wěn)定性研究方面，早在1897年，國外就有學(xué)者進(jìn)行了初步描述。McRobert等[1]對Mackenzie河流域的凍土滑坡失穩(wěn)進(jìn)行了研究，并對凍土斜坡失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行了劃分。Weeks等[2?3]在凍土斜坡穩(wěn)定性機(jī)理及評價方法上進(jìn)行了研究。在我國，張長慶等[4]在南水北調(diào)西線工程前期科學(xué)考察青藏公路沿線工程地質(zhì)研究中指出融凍泥流頻繁發(fā)生，凍土區(qū)邊坡開挖及斜坡穩(wěn)定性是工程活動中必須解決的問題。近年來，Niu等[5?7]對青藏高原多年凍土區(qū)斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，得出了斜坡失穩(wěn)的主要類型、斜坡穩(wěn)定性的評價方法等。在斜坡凍土變形觀測和計算方面，郭東信等[8]對青藏公路風(fēng)火山埡口盆地融凍泥流階地進(jìn)行了研究，在不同方向布置了變形觀測點，觀測了不同方向泥流推進(jìn)速度，并對泥流階地地貌形態(tài)進(jìn)行了完整的描述。王紹令[9]對青藏公路風(fēng)火山地區(qū)以東大溝為中心的8個熱融滑塌體的類型、形態(tài)、動態(tài)變化、防治措施等進(jìn)行了歸納總結(jié)。Wang等[10]在20世紀(jì)90年代以青藏高原風(fēng)火山西大溝為研究基地，對凍土斜坡在自然狀態(tài)下的蠕變現(xiàn)象進(jìn)行歷時3 a的原位蠕變觀測，初步描述了凍土斜坡原位蠕變規(guī)律。Zhu等[11]對中天山地區(qū)斜坡巖塊覆蓋層的變形進(jìn)行了分析、計算。在凍土斜坡模型試驗研究方面，國內(nèi)外研究較少。Harris等[12]利用離心模型試驗研究了冰土層融化過程中斜坡運動的機(jī)制，試驗結(jié)果很好地解釋了凍土層淺層滑坡問題和寒冷地區(qū)由冷轉(zhuǎn)暖期間的斜坡運動機(jī)理。靳德武等[13]對斜坡模型試驗進(jìn)行了相似分析，建立了凍土斜坡模型試驗的相似指標(biāo)和相似判據(jù)，并進(jìn)行了相似模型設(shè)計和凍融模型試驗。但以上研究主要是針對天然凍土斜坡，涉及凍土斜坡路基的研究較少，與青藏鐵路通車以來沿線產(chǎn)生的路基問題十分不符，這些研究對青藏鐵路的運營維護(hù)還不足以提供充分的依據(jù)，因此，開展凍土區(qū)斜坡路基的穩(wěn)定性和變形特性研究十分必要。在此，本文作者通過離心模型試驗對青藏鐵路凍土斜坡路基的失穩(wěn)原因、變形特性及影響因素進(jìn)行分析。

1 試驗方案

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

考慮到設(shè)備等原因，模擬凍土斜坡路基的凍融過程有一定困難，因此，著重從力學(xué)相似性角度對凍土斜坡路基失穩(wěn)原因及其變形特性進(jìn)行分析。研究表明，凍土斜坡路基達(dá)到最大融化深度的季節(jié)是在暖季，且降雨也主要集中在暖季，此時，凍土斜坡路基的穩(wěn)定性最差，模擬此狀態(tài)下的失穩(wěn)及變形特性具有針對性。路基的最大融化深度及各土層力學(xué)參數(shù)通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)選取，并考慮路基經(jīng)過 7～10次凍融循環(huán)下凍融土強(qiáng)度降低的特性[14]。

試驗中凍土斜坡路基選在具有典型性和代表性的風(fēng)火山試驗段，該試驗段年平均氣溫為?6.24 ℃，氣溫年差達(dá)26.2 ℃，且對氣候變化的響應(yīng)敏感，熱穩(wěn)定性較差。同時，試驗段有較充分的過余凍結(jié)能力，能使填筑的一定高度的路堤與多年凍土銜接。當(dāng)路堤填筑地區(qū)的氣候存在過余凍結(jié)能力時，若路堤高度人為上限小于路堤高度和基底天然上限之和，即hT＜H+h0，則基底天然上限將上升；若hT＜H，則高度人為上限將伸入堤身中，形成凍土核。其路堤中心高度和路基面中心融深滿足如下經(jīng)驗公式[15]：

其中：hT為路基基面中心高度人為上限；H為路堤中心高度(H＜7 m)。

路基坡面的朝向、當(dāng)?shù)仫L(fēng)向及降雨對融深的影響，主要體現(xiàn)在凍土斜坡路基人為上限的選取上。朝陽邊坡坡面以下的土層，由于同時受到強(qiáng)烈的垂直熱流與水平熱流傳導(dǎo)作用，融深最大，比基面中心大20%～30%；相反，背陰邊坡面中心融深最小，陰坡路肩與基面中心融深相近，兩者比值為0.9～1.0。同時，暖季以東北風(fēng)和東風(fēng)為主，降雨量也主要集中在暖季，因而風(fēng)向有利于陰坡路肩的散熱，致使陰坡路肩處有較大的融深比。

暖季凍土融化后，水分下滲，水分沿深度分布的不均勻，使得凍土斜坡路基各土層的力學(xué)性質(zhì)差異巨大。在凍融交界面附近的土體，受到多年凍土的阻水作用，水分在其附近富集，形成相對軟弱帶。根據(jù)路基各土層的凍融狀態(tài)及力學(xué)性質(zhì)的明顯差異，將其分為路堤融土、軟弱帶、路堤凍土、地基融土(粉質(zhì)黏土)和地基凍土(粉質(zhì)黏土)、地基凍土(泥巖夾砂巖)6層(見圖1)。各土層力學(xué)參數(shù)如表1所示。本文采用離心模型試驗，試驗的模型相似比為1:40。

圖1 凍土斜坡路基的試驗?zāi)Ｐ虵ig.1 Testing model of sloping subgrade

表1 凍土路基各土層力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of soil layers

路堤高度和地基坡度是影響凍土斜坡路基穩(wěn)定性的2個主要影響因素。為單獨分析其影響規(guī)律，試驗設(shè)計了3種路堤中心高度和3種地基坡度的模型。其中3種路堤中心高度分別為3，5和7 m，地基坡度固定為 1:6，根據(jù)式(1)及坡面朝向影響特性，3種路堤中心高度對應(yīng)的人為上限如表2所示。分析地基坡度的影響規(guī)律時，保持路堤中心高度為5 m，各模型按路堤中心高度為5 m對應(yīng)的人為上限選取，地基坡度分別為1:8，1:6到1:4。

表2 凍土斜坡路基中心高度的人為上限Table 2 Artificial limit of sloping subgrade m

1.2 試驗測點布置

為研究凍土斜坡路基發(fā)生失穩(wěn)的原因及失穩(wěn)后在不同部位和不同深度的變形差異，沿陽坡順向分別選取路基表面、軟弱帶表面、軟弱帶底面(凍融交界面)、基面中心剖面、陽坡路肩剖面、陽坡坡腳剖面和陽坡坡腳外4 m剖面共7處關(guān)鍵測試帶進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 試驗測試點布置Fig.2 Distribution of testing position

2 變形及穩(wěn)定性分析

2.1 變形及失穩(wěn)特性

凍土斜坡路基的變形具有顯著的特征，以路堤高度為5 m、地基坡度為1:4的凍土斜坡路基為例，試驗后模型側(cè)面變形示意圖如圖3所示。由于受地基不對稱、坡面朝向及風(fēng)向的影響，路基變形呈現(xiàn)明顯的不對稱，且變形主要集中在陽坡一側(cè)。從圖3可以看出：滑裂面的特征具有顯著性和特殊性。凍土斜坡路基的水平位移曲線如圖4所示。從圖4可以看出：裂縫始于靠近陽坡一側(cè)的荷載板邊緣附近的路基面上，裂縫貫穿路堤融通后，沿著凍融交界面。裂縫開裂位置在靠近陽坡坡肩一側(cè)的荷載板邊緣附近，路基表面水平位移出現(xiàn)突增現(xiàn)象，裂縫寬度達(dá)到0.12～0.22 m。凍土斜坡路基的滑裂面形狀與一般路基的滑弧裂面具有明顯區(qū)別，其主要原因是凍融土性質(zhì)差異以及靠近凍融交界面附近的水分富集形成了相對軟弱土層。

圖3 試驗后模型側(cè)面變形圖Fig.3 Lateral deformation after experiment

圖4 凍土斜坡路基的水平位移曲線圖Fig.4 Curves of horizontal displacement

另外，除了路基面存在裂縫外，大約在陽坡中心附近還存在坡面裂縫，該裂縫的存在說明滑塌體不是一次性整體滑動，而是分塊有序的運動。首先，坡腳處的土體尤其是軟弱帶受到較大的擠壓力作用，因抗剪強(qiáng)度不足，而使一部分土體沿凍融交界面發(fā)生滑移，從而產(chǎn)生坡面裂縫，此時前一部分土體臨空而失去支撐，導(dǎo)致土體塌落下滑從而產(chǎn)生基面的拉裂縫。同時，不同部位和不同深度的土層對路基失穩(wěn)的貢獻(xiàn)程度也不同。

從圖4還可以看出：路基表面和軟弱帶表面的水平位移分布曲線比較陡，而軟弱帶底面的水平位移分布曲線比較平緩。沿深度方向，軟弱帶的變形速率最快，路基變形的驟變點在軟弱帶底面即凍融交界面附近，軟弱帶對凍土斜坡路基的穩(wěn)定性起控制作用。凍土斜坡路基的沉降曲線如圖5所示，可見：凍土斜坡路基在列車荷載擾動下，易在路基面產(chǎn)生較大沉降。圖6和7所示為各剖面的水平位移曲線。從圖6和7可知：路基失穩(wěn)后，整體向陽坡外側(cè)運動，但各部分的變形速率及變形幅度差異較大，沿深度方向，路基的水平變形主要集中在路基表面到凍融交界面的淺層土體范圍內(nèi)，且軟弱帶的水平變形速率最快，驟變點在凍融交界面附近；順坡方向，滑坡體后緣即陽坡附近的土體水平位移最大，順坡向外，水平位移逐漸減少。

2.2 離心試驗與天然凍土斜坡現(xiàn)場試驗結(jié)果對比

凍土斜坡穩(wěn)定性及變形研究是斜坡研究領(lǐng)域的一項獨特內(nèi)容，已有學(xué)者做過相關(guān)方面的研究。但具體針對青藏線凍土斜坡路基穩(wěn)定性及變形特性的現(xiàn)場試驗研究還正在進(jìn)行。在失穩(wěn)原因及變形機(jī)制研究方面，凍土斜坡路基與天然凍土斜坡具有一定的相似之處。因此，天然凍土斜坡的研究成果可以對離心試驗方案的可行性及試驗結(jié)果的可靠性起到一定驗證作用。將本文結(jié)果與文獻(xiàn)[6?7]試驗結(jié)果進(jìn)行對比。牛富俊等[6?7]所研究的試驗段為青藏高原風(fēng)火山北側(cè)北麓河地區(qū)，屬于青藏高原干旱氣候區(qū)，寒冷干旱，四季不明，年平均氣溫為?5.2 ℃。按凍土含冰量、凍土構(gòu)造，該處凍土類型自上而下劃分為：0～2.0 m為季節(jié)融化層；2.0～4.0 m為含土冰層；4.0 m以下為多冰凍土。該試驗段與離心模型試驗所選取的試驗段距離接近，氣候條件及地質(zhì)情況相似，因此，可比性較好。本試驗結(jié)果表明：斜坡變形主要集中在2 m內(nèi)的淺層土體，土體的聚變點在2 m左右，即凍土斜坡的凍融交界面附近。其變形范圍、驟變點位置以及不同部位的變形特征與文獻(xiàn)[6?7]中的結(jié)果是一致的，但兩者破壞的形態(tài)有些差異：天然斜坡的破壞常表現(xiàn)為表面的褶皺和土體疊片，且滑裂面表現(xiàn)為滑弧形，而本試驗凍土斜坡路基所得到的破壞形態(tài)沒有褶皺和疊片現(xiàn)象，且滑裂面沿著凍融交界面。其原因主要與鐵路路基與天然斜坡土質(zhì)的差異、排水條件、工程處理、滑坡體的規(guī)模等有關(guān)。

圖5 凍土斜坡路基的沉降曲線圖Fig.5 Curves of settlement

圖6 路基基面中心和陽坡坡肩剖面的水平位移曲線Fig.6 Curves of horizontal displacement at profile of center face and sunny slope shoulder

圖7 陽坡坡腳和坡腳外4 m剖面的水平位移曲線Fig.7 Curves of horizontal displacement at profile of toe of slope and 4 m outside of it

2.3 變形及穩(wěn)定性影響因素分析

2.3.1 路堤高度

路堤高度主要影響凍土斜坡路基的人為上限。從熱學(xué)穩(wěn)定性角度來說，如果考慮青藏鐵路運營50 a，只有在年平均氣溫低于臨界值?3.5 ℃的地段，路堤的臨界高度才存在，才能夠維持凍土上限在鐵路運營50 a內(nèi)不會下移[16]。并且在一定路堤高度范圍內(nèi)，路堤高度增大，意味著從上界面流向地中的熱量傳遞過程中受到的熱阻增大，有利于熱穩(wěn)定[17]。但從力學(xué)穩(wěn)定性角度，增大路堤高度意味著凍土斜坡路基的穩(wěn)定性減弱。因此，在滿足熱穩(wěn)定及力學(xué)穩(wěn)定之間，必定存在一個合理的路堤高度。

圖8所示為路基表面水平位移隨路堤中心高度的變化規(guī)律。裂縫寬度隨著路堤中心高度增大而增大，當(dāng)路堤中心高度不大于5 m時，各模型的路基表面水平位移隨路堤中心高度的增加而緩慢增大；當(dāng)路堤中心高度大于5 m時，其水平位移隨路堤中心高度的增加而迅速增大。從熱學(xué)穩(wěn)定的角度分析，路基存在上、下臨界高度，且與地區(qū)的氣候條件緊密相關(guān)，不同年平均氣溫下的臨界路堤高度如圖9所示[16]?？紤]到青藏鐵路運營50 a后大氣溫度將上升2.2～2.6 ℃[18]，對應(yīng)的下臨界路堤高度約為4.0 m。因此，在該氣候條件下，建議合理路堤中心高度為4.0～5.0 m。

圖8 不同路堤中心高度下路基表面水平位移曲線Fig.8 Curves of horizontal displacement with different embankment heights

圖9 臨界路堤高度與年平均氣溫關(guān)系曲線[16]Fig.9 Curves of critical embankment height vs mean annual air temperature[16]

2.3.2 地基坡度

地基坡度影響凍土斜坡路基的整體穩(wěn)定。圖 10所示為路基表面水平位移隨地基坡度的變化曲線。從圖10可以得到：3種地基坡度的模型在靠近陽坡一側(cè)荷載板邊緣處的路基面上均出現(xiàn)不同程度的突增現(xiàn)象，說明三者均有裂縫，且隨著地基坡度的增大，裂縫寬度也隨著增大；當(dāng)?shù)鼗露炔淮笥?:6時，地基坡度對路基的變形影響很小，但當(dāng)?shù)鼗露却笥?1:6時，路基表面的水平位移迅速增大。因此，建議在坡度大于1:6的地基上修筑路堤時，應(yīng)采取必要的工程措施。

圖10 地基坡度不同時路基表面的水平位移曲線Fig.10 Curves of horizontal displacement with different ground gradients

3 結(jié)論

(1) 凍土融化后在凍融交界面附近富集水分形成的相對軟弱帶，是導(dǎo)致凍土斜坡路基發(fā)生失穩(wěn)的根本原因。

(2) 凍土斜坡路基在不同部位及不同深度土體的變形具有明顯的差異，路基的水平變形主要集中在凍融交界面之上的淺層土體，驟變點發(fā)生在凍融交界面附近。滑坡體后緣的土體變形速率比前緣的土體變形快。

(3) 在本試驗條件下，凍土斜坡路基的變形隨路堤中心高度及地基坡度的增大而增大。滿足熱穩(wěn)定和力學(xué)穩(wěn)定的合理路堤中心高度為4～5 m。

(4) 通過對比天然凍土斜坡現(xiàn)場試驗結(jié)果，得出了普通凍土斜坡路基的變形特性與天然凍土斜坡異同點，同時也驗證了基于力學(xué)相似條件下離心模型試驗方案的可行性以及試驗結(jié)果的可靠性。

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